鈉離子電池的前世今生

聽慣了鋰離子電動汽車的吃瓜群眾不禁要問，什么是鈉離子電池？

認識鈉離子電池，首先要了解堿金屬。按照百度百科的解釋，堿金屬是指在元素周期表中ⅠA族除氫（H）外的六個金屬元素，即鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）和鈁（Fr），而鈉和鋰都是堿金屬。由于二者的化學性質相似，在鋰離子電池占據電動汽車市場主導地位的今天，鈉離子電池的問世應該算不上是稀奇事。

早期的鈉離子電池重要以Na/S為主，即鈉硫電池，化學反應式為：

2Na+xS=Na2Sx

鈉硫電池中的電解質是熔融狀態的鈉，所以要求運行溫度達到300度以上。一些業內人士介紹，僅鈉硫電池的預熱就要三天時間。

另外，鈉硫電池的安全性偏低。鈉的化學性質非常活潑，熔融狀態的金屬鈉遇到空氣或水都會劇烈反應，鈉硫電池導致的火災通常只能用沙子覆蓋撲滅，但在清理燃燒灰燼時，鈉一旦接觸空氣又會死灰復燃。這是鈉硫電池無法大規模推廣的原因之一。

常溫下鈉離子電池的研究，可以追溯到上世紀80年代，但是由于正負極材料難以匹配，鈉離子電池的研究一度停滯不前。

進入21世紀，新能源行業的興起帶活了上游產業，各種新興電池技術開始冒尖，常溫鈉離子電池也獲得了新生。這一時期，鈉離子相關的論文發表數量和新聞報道數量顯著新增鈉離子電池開始獲得更多人的關注。

1994年至今，鈉離子電池相關的學術論文發表數量。

鈉離子電池能套用鋰離子電池的結構嗎？

討論常溫下鈉離子電池的研究，不得不提到鋰離子電池，因為二者的工作原理十分相似，而鋰離子電池已經在電動汽車市場上大獲成功。

鈉離子電池和鋰離子電池都屬于濃差電池。濃差電池是由于電池中存在濃度差而出現電勢的電池，具體到鈉離子電池上，在充放電過程中，鈉離子不停脫、嵌于正、負極，在隔膜兩側形成濃度差，進而出現電勢。打個比方，鈉離子電池中電勢出現的過程，就像是離子要鉆到電極的洞里的過程。鋰離子電池也是如此。

基于此，在一些業內人士看來，鈉離子電池可以直接套用鋰離子電池的結構和原理反正都是離子鉆洞，而且，鋰離子電池技術已經十分成熟，直接套用可以縮短研發周期，何樂而不為呢。

但是，我對這種看法持保留意見。我認為，鈉離子電池可以套用鋰離子電池的結構，但是難度較大。雖然鈉和鋰的化學性質相似，但是物理性質相差不少。

上圖為鋰的半徑，下圖為鈉的半徑。

借用剛才解釋濃差電池時打的比方，既然離子要往洞里鉆，它的尺寸就不能過大，否則不但離子遷移的動作遲緩，還增大了進洞難度，即便硬擠進去，往復多次，就很有可能導致山洞塌方，鋰離子電池業內稱之為坍塌或崩塌。

上表顯示，鈉離子的半徑比鋰離子大30%左右，假如套用鋰離子的電池結構，很容易使電池的循環性能大打折扣，運行幾十次之后可能就徹底報廢了。

另外，要談鈉離子電池套用鋰離子電池的結構，必須先找到便宜好用的電極材料等。沒有這個大前提，套用是不現實的。

鈉離子電池成本有優勢嗎？

鈉的地殼儲量巨大（在所有元素中排第6位），受資源限制較小，因此，價格比較穩定。顯然，鈉的成本優勢遠超鋰。

左圖為鈉離子電池常見的正極材料，右圖為常見的負極材料（橫坐標為克容量，縱坐標為標準電勢）

但是，事實遠比表格中的數據復雜。

在自然界中，鈉并不是獨立存在的，而是通常以鹽的形式呈現出來，最常見的是NaxMO2（M一般是鈷、鎳、鐵、錳、釩，或這幾種元素的混合）。因此，對電池成本影響最大的是材料中最貴（單價x含量）的元素，而不一定是價格較低的鈉。

同時，制造鈉離子電池的電極材料也都不是天然存在的，必須靠后期提煉、加工和合成。因此，加工成本也是影響鈉離子電池價格的重要因素。

目前，鋰離子電池的規模已經十分龐大。亞化咨詢的研究表明，2017年，我國鋰離子電池產量約為88.7GWh。那么，鈉離子電池是否能實現類似的規模化發展呢？

我認為，在可預見的時期內，很難。

第一，鈉離子電池沒有價格優勢。雖然鈉離子的成本低于鋰離子，但在短時間內，鈉離子電池不太可能撼動已經形成規模的鋰離子電池，有限的市場需求不足以拉低鈉離子電池的價格。

第二，鈉離子電池的安全性較差。現階段，鈉離子電池比鋰離子電池的循環壽命短，因此故障率較高、安全系數也比較低。再加上其標稱容量過高，一旦發生事故，后果更加嚴重。

第三，鈉離子電池的回收難度大。假如鈉離子電池的材料成本低廉的假設成立，那么，材料可回收殘值也很低，這樣一來，就無法形成自循環的商業模式，而必須由額外的成本來驅動。

當然，鈉離子電池的競爭力較弱，并不意味著我們要放棄研發。畢竟，新電化學體系的探索，是從0到1的突破，比在原體系去修正結構的意義更大。研究人員遵循科學的客觀規律，穩步推進，鈉離子電池也有希望獲得重大突破。

但是，假如忽視客觀規律，單純為追逐利潤，用商業化和資本化方式運作鈉離子電池系統，勢必對技術本身造成負擔。就像幼年的孩子被寄予過高期望，反倒會影響他未來的發展。