審核專家：孟夢

中國科學院物理研究所副研究員

看過我們之前關于鋰離子電池爆炸文章的讀者們一定很困惑，既然鋰離子電池自身構造上就存在這么多隱患，為什么還要用？原因很簡單，鋰離子電池的綜合性能是目前所有電池技術中最優(yōu)秀的。

不過，去年在《科學》雜志上首次亮相的與鈉離子電池相關的研究成果可能會改變這一狀況。

與此同時，一批嶄新的鈉離子電池電動自行車出現在中科院物理研究所園區(qū)內，作為實驗車輛進行更廣泛的測試，所用電池組由物理研究所的胡勇勝科研團隊和科技孵化公司中科海鈉生產。事實上，早在2018年，中科海鈉就推出了首輛鈉離子電池低速電動車。但，過了這么久為什么鈉離子電池還沒有取代鋰離子電池呢？

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鈉離子電池是什么？有什么特點？

鈉離子電池是一種近年來受到廣泛關注的電化學二次儲能電池。在之前介紹鋰離子電池的文章中我們說過，鋰離子電池就像一輛汽車，載著電荷，不斷地在兩極間往返，以完成充放電的任務，而鈉離子電池的充放電過程類似于鋰離子電池。在充電時，電池正極釋放出的鈉離子通過電解液到達負極材料上。同時，電子通過外部電路進入負極，確保正負電荷平衡。放電時，情況則相反，電子通過外部電路從負極進入正極，產生電流驅動用電裝置。鈉離子電池充放電原理圖來源 | 新材料產業(yè)

在正常的使用情況下，上述充放電過程不會破壞電池的基本化學結構，能夠保證電池重復使用。

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鈉離子、鋰離子電池有啥區(qū)別？

鈉離子電池與鋰離子電池的本質區(qū)別在于：鈉離子電池充放電時，在正負極間發(fā)生轉移的是鈉離子，而非鋰離子。鈉和鋰在元素周期表中屬于同一個主族，它們的物化性質相似。這就使得鈉離子電池和鋰離子電池的基本工作過程相似。但是，鈉和鋰在很多方面還是有區(qū)別的，這就導致了鈉離子電池和鋰離子電池之間存在許多差異。首先，鈉離子半徑大于鋰離子，導致單位體積所含離子數量少，充放電可轉移電子數少，相同電池體積能量密度自然也就低，儲電量也就低于鋰離子電池。（能量密度是指單位體積或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度越大，單位體積或重量內存儲的電量越多。）

在負極材料的選擇上，電化學性能優(yōu)異的石墨通常被用作鋰離子電池的負極。但由于鈉離子的半徑大，不可在石墨上進行可逆的脫嵌，因此通常選用硬碳或合金作為負極材料。除了正負極和電解質材料的不同，制造成本也是兩種電池間不可忽視的差異。鈉元素在自然界儲量充足，約為鋰的450倍。所以鈉材料的價格更便宜，買1噸鋰的價錢可以買到約33噸鈉。而且，因為鈉與鋁在低電位時不會發(fā)生化合，所以鈉離子電池的正負極均可使用鋁箔作為集流體。相對一般鋰離子電池只能正極使用鋁箔，鈉離子電池的造價就可以更低。（一般的鋰離子電池的負極不能使用鋁箔，而使用價格相對高點的銅箔作為集流體，因為鋁箔與鋰會發(fā)生反應生成鋰鋁合金，造成活性鋰離子損失。）因此，在電網等需大規(guī)模儲能的系統上，鈉離子電池較鋰離子電池有著明顯的成本優(yōu)勢。鈉離子電池的優(yōu)勢來源 | 《從基礎研究到工程化探索》

而且，對我國來說，布局鈉離子電池非常具有戰(zhàn)略意義。我國境內的鋰資源儲量雖為世界第四，但大多難以開發(fā)，目前使用的鋰80%依賴進口。而鈉資源分布更平均，布局鈉離子電池可降低對鋰資源的依賴，有利于防止他國的資源封鎖。

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鈉離子電池能否替代鋰離子電池？

與鋰離子電池一樣，鈉離子電池的研究開始于上世紀七十年代。雖然因商業(yè)程度等原因，鈉離子電池的發(fā)展速度不及鋰離子電池，但相關研究一直在持續(xù)進行，并在近十年迎來井噴式發(fā)展。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池相似，因此目前的鋰電產業(yè)在一定程度上能夠兼容鈉離子電池。這為鈉離子電池的發(fā)展提供了優(yōu)勢。當前，鈉離子電池的主要劣勢是電池能量密度較低。雖然和鋰離子電池還有不小的距離，但已達到磷酸鐵鋰離子電池的水平。目前，世界各地的科研團隊正從負極材料入手，希望解決鈉離子電池的這一劣勢。科研人員和其研究成果來源 | 見水印

雖然考慮到電池性能及使用需求，鋰離子電池在長時間內仍會是電化學電池的主流。但鈉離子電池作為一個有競爭力的備選方案，各個主要國家已經開始布局鈉離子電池。例如，英國FARADION公司，日本松下、豐田，以及我國的中科海鈉都在進行產業(yè)化探索。目前，全球開展鈉離子電池業(yè)務的公司已達20多家。中科海鈉鈉離子電池示范應用來源 | 《從基礎研究到工程化探索》

在風力發(fā)電領域，鈉離子電池有很大的潛力。自然風能的出現隨機性強，導致風力發(fā)電不平穩(wěn)、波動大。而電力系統要求高穩(wěn)定性，這就使得風電不能直接接入電網，需要一個大型的電池組作為風電“緩沖區(qū)”。國家風光儲輸示范基地電池組來源 | 《從基礎研究到工程化探索》

如此大規(guī)模的電池組需要物美價廉的材料，這就使得造價較低的鈉離子電池極富競爭力。在該領域可差異化替代鋰離子電池。

而近日，胡勇勝在接受科技日報記者采訪時，也舉例說明了鈉離子電池的優(yōu)點?，F在常用的手機鋰離子電池大約一個小時才能充滿電量，而鈉離子電池用十幾分鐘甚至更短時間就可以充滿。冬日鋰離子電池因低溫“罷工”現象頻見報道，而鈉離子電池在低至-30℃、高至80℃的環(huán)境中，其放電特性依然很好，足見其環(huán)境友好之特性，十分“皮實”，經得起折騰。“我們做過試驗，用鋼針刺入鈉離子電池，人為使其短路，發(fā)現沒有起火或爆炸?！?/p>

但目前鈉離子電池的正極材料的選擇及制程工藝還不是很成熟，限制了其成本的降低。不過，相信隨著技術的不斷發(fā)展，科學家們會克服鈉離子電池現有的問題。將來有一天，鈉離子電池終將面向普通人群，大家就可以用上既便宜又安全的電池了。

來源：數字北京科學中心


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