近日，電池一哥寧德時代已經(jīng)不局限于鋰離子電池了，而是要向全新的鈉離子電池領(lǐng)域進軍！

講到電動車，人們第一時間肯定會想到動力電池，它作為電動車的心臟，成本接近整車的百分之四十，因此如果要擴大電動汽車的使用規(guī)模、降低電動車制造成本，研究如何降低動力電池成本理論上是可行的。

說到降低電池成本，大家第一時間肯定會想到鋰離子電池。不過除了與鋰離子電池斗爭到底外，電動車產(chǎn)業(yè)其實還存在著第二條路可走——那就是改用鈉離子電池。

所謂鈉離子電池，正極一般由鈉離子層狀氧化物等構(gòu)成，負極則為硬碳，替代鋰電使用的石墨，電解液為鈉離子化合物，它跟鋰離子電池一樣都是二次電池，即可以循環(huán)充電的充電電池。二者起步發(fā)展時間相近，只是鈉離子電池與鋰離子電池相比起來發(fā)展時遇到的瓶頸更多，因此長年名聲不顯。

不過鈉離子電池始終有著自己獨家優(yōu)勢，因為科學(xué)家并沒有放棄它，反而專心鉆研近年來取得了不少突破，被不少知名廠商納入眼底甚至推出相關(guān)產(chǎn)品。比如說數(shù)月前國內(nèi)電動電池龍頭企業(yè)寧德時代就宣布要在七月左右發(fā)布鈉離子電池，徹底引爆了業(yè)內(nèi)關(guān)于鈉離子電池是否能在動力電池界占據(jù)一席之地的討論。

既然兩者都可用作動力電池，就注定會被相提并論。那到底鈉離子電池具備什么優(yōu)勢，它有沒有機會取代部分鋰離子電池呢？接下來就來一起看看它的優(yōu)勢與缺點。

一塊遲到四十年的電池

鈉和鋰，在元素周期表上位于同一主族，化學(xué)性質(zhì)相似。鈉離子電池與鋰離子電池均起源于上世紀(jì)七八十年代，但命運卻截然不同。

鋰離子電池因為優(yōu)異的電化學(xué)性能，成了手機、相機、汽車等大小電器必不可少的器件，而鈉離子電池卻因電池容量低、循環(huán)壽命短等短板，無人問津。直到2010年以后，才陸續(xù)有研究人員把鈉電池這項老技術(shù)撿起來。

與鋰電池一樣，鈉離子電池也有多條技術(shù)路線。

高溫鈉離子電池對工作溫度要求高、安全性差，研究人員關(guān)注更多的是室溫鈉離子電池，并針對性開發(fā)出適合其性質(zhì)的陰陽極材料，如在陽極上，有合金類、金屬氧化物類和碳材料等選擇，而陰極材料則包括聚陰離子類、普魯士藍衍生物、層狀氧化物類等。

其中，層狀氧化物和普魯士藍衍生物做陰極的鈉電池，不僅成本便宜，而且能量密度接近磷酸鐵鋰電池，甚至還有所超越。陽極材料用硬碳，能提高鈉電池的可逆比容量和循環(huán)壽命。

鈉離子電池的優(yōu)勢

首先是安全性，鈉離子電池的熱失控溫度比鋰離子電池更高，與水直接發(fā)生接觸產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的時間也相當(dāng)緩慢。并且有研究人士表示，鈉離子電池雖然和鋰離子電池一樣不能過充，但是卻可以過放，在長期保存中更加安全。

其次是成本，這也是鈉離子電池最重要的優(yōu)勢。鈉離子電池正極材料的原料鈉資源在地殼中的儲量極其豐富，地殼豐度是鋰的1000倍以上，而且遍布全球，不像鋰資源75%都集中在了美洲，因此成本上會大大降低，而且價格十分穩(wěn)定。此外，由于鈉離子不會與鋁形成合金，因此鈉離子電池的負極可以用金屬鋁箔作為集流體，成本比鋰離子電池的銅箔更低。不過鈉離子因為半徑較大，所以負極材料要嵌入離子就比較困難一些，所以負極材料的成本會比鋰離子電池貴一些。

不過總體來說，如果儲存相同的能量，鈉離子電池成本會比鋰離子電池少30%~40%（如下圖）。除此之外由于電池結(jié)構(gòu)相似，現(xiàn)有的大部分鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備可直接投入到鈉離子電池生產(chǎn)中，在成本控制方面更進一步。

鈉離子電池的缺點

首先是能量密度，鈉離子的離子半徑大于鋰離子，導(dǎo)致鈉離子無法嵌入石墨材料，需采用硬碳或其他負極材料，能量密度低于石墨材料。而且主流的鈉離子電池正極材料的理論能量密度不及三元鋰，實際能量密度較磷酸鐵鋰低。

其次是充放電效率，更大的尺寸使鈉離子很難嵌入發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所在的電極晶體結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)致鈉離子的移動速率就比較慢，影響鈉離子電池充、放電速率。

最后是壽命，由于鈉離子嵌出電極的晶體結(jié)構(gòu)也較難，導(dǎo)致電池可逆性差，多次充放電后的能量密度下降速度快。目前鈉離子電池的充放電次數(shù)大約為1000+次，而鋰離子電池足足達3000+次，所以它還有很大的改進空間。

總的來說，鈉離子電池雖有缺點，但綜合性能依舊顯示出多重優(yōu)勢，業(yè)界應(yīng)該努力進一步提升鈉離子電池的能量密度，使鈉離子電池向著低成本、長壽命、高比能和高安全的方向邁進。

新能源的未來在“鈉”里

新能源蓬勃發(fā)展、碳中和成為世界議題。各國紛紛推出政策，將“停產(chǎn)燃油車”提上日程，電動車取而代之。但這又帶來另一個問題：鋰資源不夠用了。

全球探明的可供開采的鋰資源儲量僅能滿足14.8億輛電動汽車，而根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù)，2020年全球汽車保有量便超過14.9億輛[2]。

更不必說，中國鋰資源緊張，高度依賴進口。

2019年國內(nèi)利用自身的鋰資源加工的基礎(chǔ)鋰鹽僅為6.5萬噸，其余鋰精礦依賴進口，共進口172萬噸鋰輝石精礦，且進口礦石主要都來自澳大利亞。鑒于近年緊張的中澳關(guān)系，尋找鋰電池的替代產(chǎn)品意義非凡。

業(yè)界對鈉離子電池寄予厚望。

一方面，鈉元素的含量足夠豐富。鋰在地殼中的含量只有0.0065%，而鈉的含量則為2.75%，是前者的400多倍。

另一方面，鈉離子電池成本低、安全性高。據(jù)中科海鈉的測算，鈉離子電池的材料成本，比鋰離子電池低30%~40%。并且由于鈉電池化學(xué)性性能穩(wěn)定，不容易形成鋰枝晶那樣堅硬的枝晶，在安全性上較同類別的鋰離子電池體系具有優(yōu)勢。

鈉離子電池的應(yīng)用與未來發(fā)展

鈉離子電池的能量密度大概介于鉛酸電池和鋰離子電池之間，約100~150Wh/kg，遠高于鉛酸電池（30~50Wh/kg），但比鋰離子電池低不少（150~250Wh/kg）。所以鈉離子電池要取代鉛酸電池是綽綽有余的，但是要取代鋰離子電池還有難度。未來應(yīng)用場景或主要集中于儲能（風(fēng)力電站、太陽電站、家庭儲能等）、低速新能源車（物流車、農(nóng)具車等）及小動力領(lǐng)域，而鋰離子電池仍是新能源汽車電池主流技術(shù)路線。

目前多個先進國家或是國際知名廠商均積極投入鈉離子電池研發(fā)，如美國PNNL、SNL國家實驗室、日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所、日本豐田汽車等。2009年后美國已成立兩間以鈉離子電池產(chǎn)品為主的新創(chuàng)公司，其產(chǎn)品目的主要為開發(fā)目標(biāo)為成本售價達到美國能源部對于儲能電池的終極目標(biāo)并實現(xiàn)大型量產(chǎn)化生產(chǎn)，以結(jié)合再生能源使用，利于擴大再生能源的普及率。

日本東北大學(xué)與美俄合作，在2014年發(fā)表鈉離子電池的固態(tài)電解質(zhì)有新進展的研究，能使鈉離子電池降低操作溫度至110℃左右；2015年日本東京大學(xué)的研究團隊發(fā)現(xiàn)鈦和碳所構(gòu)成的層狀化合物，可脫嵌大量的鈉離子，對于快速充電和穩(wěn)定性都有很大的突破；在2014年IEEESpectrum有石墨烯復(fù)合材料提供鈉離子電池關(guān)鍵性的補救方法。

總而言之，若能突破操作溫度和改良電極添加物以增進電極的脫嵌能力，鈉離子電池?zé)o疑是極具商用價值的未來電池。但在國內(nèi)，鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的完善、產(chǎn)品系列的豐富、性能的成熟、標(biāo)準(zhǔn)的制定、市場的認可等方面仍然有很長的路要走，按照常規(guī)的節(jié)奏需要5-10年時間。目前，寧德時代的加入以及雙碳目標(biāo)的制訂，可以大大加速這個過程，3年以后產(chǎn)業(yè)或?qū)⒊墒臁７糯鬅簦垠w圈