鈉離子電池能量密度較低，在電池制作的過(guò)程中要更多的輔材和制造成本。這也意味著，目前來(lái)看，較之鋰電池，鈉離子電池并沒(méi)有太大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。鈉電池想要更具成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，就必須發(fā)展高能量密度和低價(jià)格輔材的鈉離子電池體系，進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。

文︱郭紫文

前段時(shí)間，CATL召開股東大會(huì)，董事長(zhǎng)曾毓群透露，CATL將于今年七月份公布鈉電池。此消息一出，鈉電池便被推上了市場(chǎng)的風(fēng)口浪尖。短短幾天時(shí)間，鈉離子電池概念股異軍突起，多股漲停。

隨即，鈉離子電池能否替代鋰電池的問(wèn)題也引發(fā)大量討論。鈉離子電池并非全新的電池技術(shù)，二十世紀(jì)七十年代末，鈉離子電池和鋰電池幾乎同時(shí)展開研究，然而命運(yùn)卻大相徑庭。鋰電池發(fā)展迅速，在市場(chǎng)中取得一席之地，而鈉離子電池的發(fā)展卻始終停滯不前，直到現(xiàn)在仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，鋰在地殼中的豐度僅有17ppm（百萬(wàn)分之一），且分布極不均勻。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）數(shù)據(jù)顯示，2019年全球已查明的鋰資源量約為8000萬(wàn)噸，儲(chǔ)量約為1700萬(wàn)噸，重要集中在智利、阿根廷和玻利維亞等地。

南開大學(xué)陳軍院士也曾表示："鋰豐度低，資源分布不均勻，約70％集中在南美洲，我國(guó)80％的鋰資源依賴進(jìn)口，引發(fā)了人們對(duì)鋰儲(chǔ)量的普遍擔(dān)憂。另外，鋰電池的安全隱患也難以滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用需求。"

圖：全球鋰資源分布

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋰電池的需求量不斷增大，鋰資源面對(duì)著前所未有的緊張局面。因此，尋找替代鋰電池的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)勢(shì)在必行。同為堿金屬的鈉，在地殼中儲(chǔ)量高達(dá)2．36％，資源豐富，且成本低廉，具備大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿Αｂc離子電池"重出江湖"，受到多方關(guān)注和重視，成為儲(chǔ)能市場(chǎng)新的風(fēng)口。

圖：地殼中部分化學(xué)元素豐度［3］

圖：用于電池的元素資源

如前所述，鈉離子電池最大的優(yōu)勢(shì)，就是鈉資源儲(chǔ)量豐富，這也讓鈉離子電池相較于鋰電池在成本上更具優(yōu)勢(shì)。然而，在化學(xué)元素周期表中，鋰在第二周期，鈉在第三周期。從物理化學(xué)性質(zhì)來(lái)看，鈉離子質(zhì)量和半徑更大，較之鋰離子更活潑。

因此，鈉離子電池能量密度較低，在電池制作的過(guò)程中要更多的輔材和制造成本。據(jù)研究估算顯示，鈉離子電池所需輔材和制造成本占總成本75％。CATL董事長(zhǎng)曾毓群也表示，該公司新推出的鈉電池可能比鋰電池更貴。這也意味著，目前來(lái)看，較之鋰電池，鈉離子電池并沒(méi)有太大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。鈉電池想要更具成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，就必須發(fā)展高能量密度和低價(jià)格輔材的鈉離子電池體系，進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。

圖：鋰電池（LIB）和鈉離子電池（SIB）成本比較［2］

在工作原理上，鈉離子電池和鋰電池極具相似性。鈉離子電池充電過(guò)程中，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，同時(shí)鈉離子從正極脫嵌。電子補(bǔ)償電荷通過(guò)外電路到達(dá)負(fù)極，鈉離子也通過(guò)電解液遷移至負(fù)極。放電時(shí)則相反。

圖：鈉離子電池工作原理［3］

鈉離子電池重要由正極、負(fù)極和電解液組成，正負(fù)極材料是電池的核心。正負(fù)極材料的比容量和電位差決定了電池的比能量，電極材料結(jié)構(gòu)和電解液電化學(xué)性能的穩(wěn)定性也影響著電池的循環(huán)壽命。電池正負(fù)極材料的選擇和研究對(duì)提升鈉離子電池比能量、循環(huán)壽命和倍率性能至關(guān)重要。

圖：鈉離子電池正、負(fù)極材料的比容量和電壓

正極材料

金屬氧化物成本低、合成工藝簡(jiǎn)單，包括P2層狀氧化物、O3層狀氧化物和三維隧道型氧化物；

聚陰離子類材料結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定、比容量適中、工作電壓高；

普魯士藍(lán)材料的隧道結(jié)構(gòu)較大，有利于鈉離子充放電脫嵌。

負(fù)極材料

肽基層狀氧化物具有良好的循環(huán)性能和倍率性能；

碳材料成本低、合成簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，且原料豐富；

圖：鈉離子電池系統(tǒng)

鈉離子電池的性能跟其電極材料的電化學(xué)性能息息相關(guān)，然而早期被設(shè)計(jì)開發(fā)出來(lái)的電極材料性能不理想，這也是鈉離子電池發(fā)展緩慢遲滯的原因之一。

鈉離子電池儲(chǔ)量豐富，一旦工藝成熟，必然意味著成本的降低。其次，鈉離子電池安全性高，過(guò)充、過(guò)放、短路、針刺、擠壓等安全測(cè)試均能順利通過(guò)，不易起火和爆炸。雖然鈉電池兼具上述優(yōu)勢(shì)，但其能量密度也明顯低于磷酸鐵鋰電池和三元電池，無(wú)法適用于新能源汽車領(lǐng)域。隨著新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，動(dòng)力鋰電池的需求量日益新增，鋰電池仍然會(huì)是市場(chǎng)的首選。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我們現(xiàn)在談?wù)撯c電池替代鋰電池還為時(shí)尚早，兩者因?yàn)樾阅懿煌厝粫?huì)走向不同的市場(chǎng)定位。在新能源汽車、智能手機(jī)等對(duì)電池重量和能量密度要求較高的領(lǐng)域，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，鋰電池仍會(huì)是市場(chǎng)的主流。而在對(duì)這些參數(shù)要求不高的領(lǐng)域，鈉離子電池將會(huì)發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)，逐漸取得市場(chǎng)認(rèn)可。

參考

［1］《鈉離子電池先進(jìn)功能材料的研究進(jìn)展》向興德等

［2］《鈉離子電池機(jī)遇和挑戰(zhàn)》曹余良

［3］《鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性》周權(quán)等

［4］《BuildingHighPowerDensityofSodium－IonBatteries：ImportanceofMultidimensionalDiffusionPathwaysinCathodeMaterials》MingzheChen