鋰離子電池產(chǎn)品最先是在1990年代由索尼推出的，那時(shí)許多人都認(rèn)為鋰離子電池是可充電電池的一大突破：憑借其更高的工作電壓和更高的能量密度，鋰離子電池?fù)魯×水?dāng)時(shí)占據(jù)主導(dǎo)地位的鎳金屬氫化物電池（鎳氫電池NiMH）。此外，鋰離子電池的使用還促進(jìn)了便攜式電子設(shè)備的發(fā)展。如果沒有鋰電池，最新的Galaxy智能手機(jī)的重量就可能達(dá)到現(xiàn)在手機(jī)重量的三倍，體積也將是現(xiàn)在的兩倍。

但是，近來，鋰離子電池開始“壓力山大”了。在更現(xiàn)代的便攜式設(shè)備和電動(dòng)汽車的續(xù)航時(shí)間上，鋰離子電池的表現(xiàn)都并不能讓人真正滿意。另外，與汽油動(dòng)力車輛相比，鋰離子帶來的安全問題也更為嚴(yán)重，尤其是有火災(zāi)的危險(xiǎn)。

這種情況自然帶來了問題：接下來該怎么辦？會(huì)有什么新突破來解決這些問題呢？

更好的鋰化學(xué)電池

在我們回答這些問題之間，我們首先來談?wù)撘幌码姵氐膬?nèi)在機(jī)制。一個(gè)電池單元必須包含由兩個(gè)絕緣層分開的電機(jī)，通常稱為隔板，該結(jié)構(gòu)通常浸泡在電解液中。兩個(gè)電極必須要具有不同的電勢(shì)或不同的電動(dòng)勢(shì)，最后兩者之間的電勢(shì)差就定義了電池的電壓。電勢(shì)較高的電極為正極，另一電極就為負(fù)極。

在放電過程中，電子通過外接的電路從負(fù)極流向正極，而帶電的原子或離子則在電池內(nèi)部流動(dòng)，以保持電中性。在可充電電池充電時(shí)，這一過程就會(huì)倒過來。

鋰離子電池的能量密度是指單位質(zhì)量的電池材料能存儲(chǔ)多少能量，近幾年一直在以每年約5%的增長速度穩(wěn)定增長，在20年的時(shí)間里從90Wh/kg增長到了240Wh/kg，而預(yù)計(jì)這一趨勢(shì)還將繼續(xù)持續(xù)。這是由于電極和電解質(zhì)化合物和體系結(jié)構(gòu)中的漸進(jìn)改進(jìn)和最大充電電壓的增加；最近的便攜式設(shè)備電池電壓已經(jīng)從傳統(tǒng)的4.2V增長到了4.4V。

要在能量密度的繼續(xù)提高上面繼續(xù)獲得突破，電極材料和電解質(zhì)材料都需要進(jìn)一步的改進(jìn)。其中最大的即將實(shí)現(xiàn)的飛躍就是向正極中引入元素硫或空氣，以及使用金屬鋰作為負(fù)極。

鋰硫電池有望在鋰離子電池的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)能量密度的倍增，達(dá)到400Wh/kg；鋰-空氣電池的能量密度甚至有望達(dá)到鋰離子電池的10倍，可達(dá)3000Wh/kg。這主要是因?yàn)榇朔N電池使用空氣作為一種非板載的反應(yīng)物，氧氣代替了電極中的元素，所以能極大地減少電池質(zhì)量。

鋰硫電池和鋰-空氣電池都在實(shí)驗(yàn)室中得到了深入的研究，但其商業(yè)可行性還有待商業(yè)可用的原型設(shè)計(jì)的出現(xiàn)。在硫電極放電時(shí)，硫會(huì)溶解到電解液中，從而將電池與電路斷開。而且在充電時(shí)，鋰的量也會(huì)變少，這將嚴(yán)重影響到電池整體可逆性。

為了能將這一技術(shù)實(shí)用化，我們必須要獲得關(guān)鍵的突破：改善正極架構(gòu)以便更好地保留活性材料或者開發(fā)新的電解質(zhì)，這樣不會(huì)將活性材料溶解到其中。

而鋰-空氣電池也面臨著類似的困難，這些問題都是來自于電解液和空氣的反應(yīng)。另外，在這兩項(xiàng)技術(shù)中，鋰電極的保護(hù)還是一個(gè)有待解決的問題。

鈉能拯救世界？

上面提到的幾種電池中，鋰都是電池中的一種關(guān)鍵元素。盡管鋰確實(shí)是一種很豐富的元素，但是鋰的分布非常分散，采取難度較大，所以鋰還并未實(shí)現(xiàn)全球范圍的商業(yè)開采。所以目前只有在相對(duì)豐富的礦產(chǎn)中才能實(shí)現(xiàn)商業(yè)開采，目前世界上的大部分鋰都來自于高濃度的鹽湖的鹵水，其中大部分都位于南美洲的安第斯山脈。

除了相對(duì)困難的提取，在美國你到處都能買到6美元一千克的碳酸鋰，而因?yàn)橐惠v電動(dòng)汽車所需要的碳酸鋰也不過3千克，所以到目前為止，鋰的成本還不是一個(gè)大問題。

鋰電池上的最大擔(dān)憂是地緣政治上的問題：每一個(gè)國家都在尋求能源獨(dú)立，從化石燃料過渡到鋰電池只是把能源依賴從中東轉(zhuǎn)移到南美洲而已。

取代鋰的一個(gè)可能的解決方法是使用鈉，畢竟地球上的鈉比鋰要豐富2000倍。

從電化學(xué)的角度來看，鈉和鋰是完全可以相互媲美的，所以鈉也是一個(gè)很好的候選者。鈉離子電池的研究近來也屢見報(bào)端，目前來看，一旦鈉離子電池實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，性能方面應(yīng)該可以達(dá)到和鋰離子電池相當(dāng)?shù)乃健?/p>

盡管在成本和性能上，鈉離子電池并沒有什么本質(zhì)上的提升。但是這卻能給各個(gè)國家?guī)砀蟮淖灾鳈?quán)，讓它們依靠自己的資源生產(chǎn)電池。拿錳酸鈉來說，雖然憑借高理論容量和低廉價(jià)格等優(yōu)點(diǎn)一直是鈉離子正極材料的熱門研究對(duì)象，但存在關(guān)鍵性的技術(shù)難點(diǎn)。

一方面，錳酸鈉在充放電的過程中，因?yàn)樽陨聿牧系膶娱g距狹窄，沒辦法讓差不多半徑大的鈉離子在層間遷移時(shí)順利通過，很容易“擠壞”正極材料本身的結(jié)構(gòu)；另一方面，就是層狀結(jié)構(gòu)中的鈉離子含量不足，性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠...光是這些技術(shù)難點(diǎn)，就足夠讓它的量產(chǎn)投入計(jì)劃止步。

二、鈉離子電池VS鋰離子電池

1.鈉離子電池成本較低

雖然實(shí)力不夠，但既然能霸屏，能和鋰離子較勁兒，就有它“錳”的理由。

和鋰離子電池比，鈉在地球上的含量更高，是鋰的幾千倍。含量豐富，也自然貴不到哪兒去，成本優(yōu)勢(shì)本就是產(chǎn)業(yè)屆最關(guān)心的一個(gè)因素。

2.鈉離子局限性：壽命&能量密度&安全性

但爭(zhēng)議最大的是壽命問題，鈉離子電池最主要的問題就是循環(huán)使用壽命不高。

理論上鈉也能做電池，但是因?yàn)樗伴L得胖”，比鋰原子多8個(gè)電子，所以它更重，單位質(zhì)量上的儲(chǔ)能相對(duì)就少。鈉離子電池的能量密度也只有鋰離子電池的一半以下水平，目前只能達(dá)到120瓦時(shí)/公斤。另外，鈉離子電池在移動(dòng)場(chǎng)合中的使用條件也很苛刻，不論是從使用可提供的空間，還是電池本身的安全上都存在一定的局限性。

所以總的感覺下來，鈉離子電池有它自身的優(yōu)勢(shì)，資源儲(chǔ)備豐富，成本低，但是能量密度低、安全性不高還“長得胖”，壓根兒就不適合投入電動(dòng)車生產(chǎn)。但是因?yàn)閷?duì)它的研發(fā)從來沒停止過，一些問題實(shí)際上已經(jīng)取得了很大的突破。對(duì)之前提到的鈉離子正極材料層間距的問題，也有研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，在水鈉錳礦層狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究出了所需的層狀納米正極材料，解決了之前提到的層間距和鈉離子含量不足的問題。

去年6月，國內(nèi)首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車已經(jīng)問世。近日，國內(nèi)自主研發(fā)的鈉離子電池也進(jìn)入量產(chǎn)階段，世界上首條鈉離子電池生產(chǎn)線投入運(yùn)行，預(yù)計(jì)量產(chǎn)后的年產(chǎn)值能超過100億元。

其他公司也都取得了技術(shù)上的小突破。Durathon鈉鹽電池技術(shù)目前已經(jīng)在全球25個(gè)國家，建成了太陽能、風(fēng)電組合等儲(chǔ)能項(xiàng)目；比克電池對(duì)鈉離子電池的研發(fā)也進(jìn)入中試階段；東莞邁科已在鈉離子電池材料制作、平臺(tái)建設(shè)等方面獲得了突破性的進(jìn)展，新申請(qǐng)了發(fā)明專利2項(xiàng)。豐田新開發(fā)的鈉離子技術(shù)可有效提升電動(dòng)車的續(xù)航里程，最大可達(dá)到驚人的1000公里，其中豐田新電池使用了鈉基化合物作為正極的鈉離子電池，電池產(chǎn)生的電壓高出鋰離子電池30%......

沒有萬能的良方

不管什么新興技術(shù)，在安全問題上都有和鋰離子電池一樣的顧慮。電池安全的主要威脅是易燃性溶劑類電解質(zhì)，但沒有它們，電池的電壓要達(dá)到2V都很困難。

事實(shí)上，因?yàn)樗诟哂?V的電壓下會(huì)分解稱氫氣和氧氣，所以3V量級(jí)的鋰電池和鈉電池中使用了昂貴易燃的碳酸酯溶劑來作為電解質(zhì)。其它的選項(xiàng)包括無溶劑電解質(zhì)，但卻不能提供足夠好的導(dǎo)電性能，無法應(yīng)用在高功率的應(yīng)用中，所以也沒能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

幸運(yùn)的是，現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)出現(xiàn)意外起火的概率大約為4000萬分之一。盡管風(fēng)險(xiǎn)并不能完全避免，但可以通過工程控制和保留式設(shè)計(jì)可以盡可能保證不出現(xiàn)事故。

種子，目前的鋰離子電池提供了相當(dāng)好的性能。新興的化學(xué)電池技術(shù)（鋰硫電池和鋰-空氣電池）有徹底改變便攜式能量儲(chǔ)存的應(yīng)用潛力，但這些技術(shù)都還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未來到底會(huì)如何發(fā)展還有待檢驗(yàn)。