中國粉體網訊 2021年1月，在第七屆中國電動汽車百人會論壇上，中國工程院院士陳立泉強調固態電池的同時表示現在就應該關注鈉離子電池的發展。他呼吁，固態電池要大干快上，引領電動中國；鈉離子電池并駕齊驅，助推能源互聯。
鈉離子電池的工作原理及特點
鈉離子電池具有與鋰離子電池相似的工作原理和儲能機理。相類似的充放電機制：充電過程中，正極材料發生氧化反應，失去電子，并脫出鈉離子；電子通過外電路到達負極，同時鈉離子也經過電解液遷移到負極；負極材料得到電子，并嵌入鈉離子，發生還原反應。放電過程與充電過程相反。相似的嵌插化學性質：鈉與鋰屬于同主族元素，物理與化學性質相近。鋰離子和鈉離子可以在相似的材料結構中進行可逆的嵌入與脫出。
鈉離子電池工作原理示意圖
隨著研究的不斷深入，研究者發現鈉離子電池不僅具有鈉資源儲量豐富、分布廣泛、成本低廉、無發展瓶頸、環境友好和兼容鋰離子電池現有生產設備的優勢，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應性、安全性能和無過放電問題等優勢。同時借助于正負極均可采用鋁箔集流體構造雙極性電池這一特點，可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。
鈉離子電池正負極材料
為了獲得比能量高、循環壽命長和快速充放電能力強的先進鈉離子電池，人們正致力于開發比容量高、循環性能好和倍率性能佳的儲鈉電極材料和離子電導率高、電化學窗口寬的功能電解液，并取得了重要進展。
首先，鈉離子電池正極材料的選取原則是具有較高的氧化還原電位、較高的比容量、有利于鈉離子嵌入脫出的晶體結構，并且還具有良好的結構穩定性、良好的離子電導和電子電導，且價格低廉、對環境友好。目前，有前景的正極材料主要有高容量的層狀氧化物、高電位的氟磷酸鹽和長壽命的磷酸鹽。
其次，負極材料也是鈉離子電池的關鍵要素,負責提供鈉離子儲存位點和低電位氧化還原電對，對電池的比容量和工作電壓有直接影響。在表征鈉離子電池正極材料的電化學性能時，大部分情況是以金屬鈉作為負極。但是由于鈉枝晶的形成很容易導致電池內部短路，并且金屬鈉比金屬鋰更加活潑，也更容易與電解液發生副反應，導致電池快速失效。因此實際的鈉離子電池不能直接應用鈉金屬作為負極。鈉離子電池負極材料與Ｎａ＋反應機理大致包括嵌入、轉換或合金化等反應。目前，可用的負極材料主要包括循環穩定性強的鈦基層狀氧化物和碳材料、比容量大的金屬/非金屬單質和低成本的金屬化合物。
鈉離子電池(A)負極和(B)正極材料
鈉離子電池的應用
從產業需求推動而言，我國的儲能市場為鈉離子電池在中國的產業化創造了必要條件。陳立泉院士在2020年儲能國際峰會中多次倡導要大力發展儲能技術，促電動中國，保能源安全。他對我國儲能行業的現狀做了詳細分析，指出2018年全國數據中心共耗電1609億度電，占中國全社會用電量的2.35%；2018年我國棄光、棄風、棄水電量共計1022億度電；隨著5G基站建設進程加快，我國至少需要新建或改造1438萬個基站，存在155GWh電池的容納空間，對儲能電池的需求必將大幅提升。面對巨大的儲能市場，鈉離子電池以其低成本、長壽命和高安全的諸多優勢有望在低速電動車、電動船、數據中心、通訊基站、家庭/工業儲能、可再生能源大規模接入和智能電網等多個領域快速發展，提升我國在儲能技術領域的競爭力與影響力。
鈉離子電池潛在應用領域
未來，如何通過優化制備工藝和電解質體系，匹配正負極材料，實現大容量、長壽命、高功率、低成本、高安全鈉離子成品電池的構筑，使其切實在大規模儲能中發揮作用，是其發展的一個重要方向。
參考資料：
李慧等.鈉離子電池:儲能電池的一種新選擇
潘都等.鈉離子電池正負極材料研究新進展
郭晉芝等.鈉離子電池工作原理及關鍵電極材料研究進展
向興德等.鈉離子電池先進功能材料的研究進展
葉飛鵬等.鈉離子電池研究進展
中國科學院物理研究所.鈉離子電池：中國的機會
（中國粉體網編輯整理/黑金）
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