什么是鈉離子電池

鈉離子電池是一種主要依靠鈉離子在正負(fù)電極之間移動(dòng)的二次電池。它的工作原理與鋰離子電池相似，兩者都被稱為“搖椅”電池。

鈉離子電池如何工作

鈉離子（Na+）在正負(fù)電極材料之間的可逆脫嵌用于實(shí)現(xiàn)充電和放電。

當(dāng)充電時(shí)，Na+從正極出來，并通過電池隔板通過電解質(zhì)插入負(fù)極，使得正極處于高電位貧鈉狀態(tài)，而負(fù)極處于低電位富鈉狀態(tài)。放電過程相反。Na+從負(fù)極釋放，并通過隔板通過電解質(zhì)重新嵌入陽極材料中，從而使正極返回到富鈉狀態(tài)。為了保持電荷平衡，相同數(shù)量的電子在充電和放電期間通過外部電路轉(zhuǎn)移，并與Na+一起在正負(fù)電極之間遷移，從而正負(fù)電極發(fā)生氧化和還原反應(yīng)。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池基本相似。

鈉離子電池的組成

鈉離子電池的主要部件是正極、負(fù)極、隔板、電解質(zhì)和集電器。正極和負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)和性能決定了整個(gè)電池的鈉儲(chǔ)存性能。正電極和負(fù)電極由隔膜隔開以防止短路，電解質(zhì)滲透正電極和負(fù)極作為離子循環(huán)的介質(zhì)，集電器起到收集和傳輸電子的作用。

陰極材料

正極材料主要為電池提供離子源，這決定了電池的能量密度。目前，正極材料主要有三種途徑，即層狀過渡金屬氧化物、普魯士化合物和聚陰離子化合物。前兩者在商業(yè)應(yīng)用中應(yīng)用更為廣泛，典型代表是中科和CATL。

負(fù)極材料

在鈉離子電池的充電和放電過程中，負(fù)極材料是離子和電子的載體，這決定了能量的儲(chǔ)存和釋放，優(yōu)選碳基材料。

電解質(zhì)

電解質(zhì)是輸送離子的載體，由電解質(zhì)、溶劑和添加劑組成。鈉離子電池的電解質(zhì)與鋰離子電池非常相似。使用鈉鹽代替鋰鹽，如高氯酸鈉，其成本低于鋰鹽。溶劑分為水性溶劑和非水性溶劑，大多數(shù)溶劑繼續(xù)使用鋰電池中使用的酯類有機(jī)溶劑。在添加劑方面，與鋰離子電池相比幾乎沒有差別。

膈膜

隔膜用于分離正負(fù)電極，另一方面，它形成充放電電路，允許離子通過。鈉離子電池和鋰離子電池隔膜的技術(shù)相似。鋰電池中廣泛使用的PP/PE隔膜可以重復(fù)使用，但鈉離子電池使用更多的玻璃纖維隔膜，成本更低。

集電器

鈉電的集電體使用鋁箔，成本遠(yuǎn)低于鋰電。集電器用于連接粉末狀活性材料，收集并輸出由活性材料產(chǎn)生的電流，并將電極電流輸入到活性材料。在石墨基鋰電池中，由于鋰與鋁反應(yīng)形成合金，銅箔必須用作負(fù)極的集電體。在鈉離子電池中，鈉和鋁不會(huì)反應(yīng)形成合金，因此正極和負(fù)極集電器都可以使用鋁箔，成本比鋰電池低得多。

鈉離子電池的好處是什么

鈉離子電池的技術(shù)可行性可以從以下幾個(gè)方面考慮。

 

鈉資源豐富，成本低

鈉和鋰都是堿金屬元素，具有相似的物理和化學(xué)性質(zhì)。兩者都可以用作電池金屬離子的載體。近年來，隨著鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用，鋰資源已進(jìn)入供不應(yīng)求的供需格局。鈉資源在地殼中具有較高的元素豐度和較低的成本。

鈉離子電池具有優(yōu)異的性能

從電池性能來看，鈉離子電池也很出色。鈉離子的溶劑化能低于鋰離子，即具有更好的界面離子擴(kuò)散能力。同時(shí)，鈉離子的斯托克斯直徑小于鋰離子，相同濃度的電解質(zhì)比鋰鹽電解質(zhì)具有更高的離子電導(dǎo)率。較高的離子擴(kuò)散能力和較高的離子電導(dǎo)率意味著鈉離子電池的倍率性能更好，功率輸出和接受能力更強(qiáng)。所公開的鈉離子電池具有3C及以上的充放電率，以及大規(guī)模的能量存儲(chǔ)。當(dāng)應(yīng)用于FM時(shí)，它可以很好地應(yīng)用。

高低溫性能更好

超過70%的容量可以在-40°C的低溫下釋放，并且可以在80°C的高溫下進(jìn)行充放電，這將減少空調(diào)系統(tǒng)在能量存儲(chǔ)系統(tǒng)（如Powerwall、家庭電力存儲(chǔ)等）級(jí)別的功率配額。它還可以減少溫度控制系統(tǒng)的在線時(shí)間，從而降低能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的主要輸入成本和操作成本。

鈉離子電池比鋰電池更安全

鈉離子電池的內(nèi)阻略高于三元鋰和磷酸鐵鋰電池。一旦發(fā)生熱失控短路，鈉離子電池的短路電流相對(duì)較低，瞬時(shí)發(fā)熱相對(duì)較弱。此外，鈉離子電池可以放電到0V。如果鋰電池過度放電，會(huì)導(dǎo)致負(fù)極吸收銅，并且容易刺穿隔膜，造成內(nèi)部短路和熱失控。針灸時(shí)，鈉電池不會(huì)起火或爆炸，因此根本沒有問題。

在環(huán)境保護(hù)方面具有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)

鋁箔用于鈉電池的正極和負(fù)極，電池的結(jié)構(gòu)和組件更簡(jiǎn)單，更易于回收和再利用，使鈉電池綠色環(huán)保。相比之下，鉛酸蓄電池中所含的鉛和酸成分會(huì)污染環(huán)境，因此對(duì)環(huán)境不太友好。

盡管鈉電池的核心能量密度和循環(huán)壽命指標(biāo)弱于鋰電池，但其成本優(yōu)勢(shì)仍使其在儲(chǔ)能等下游應(yīng)用場(chǎng)景中更加經(jīng)濟(jì)。

以鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池和鈉離子電池儲(chǔ)能為例，利用該模型計(jì)算了各種電池在調(diào)峰應(yīng)用場(chǎng)景下的全生命周期電能成本，考慮到功率損耗，鈉電池的電能成本上限分別為52.2%、32.4%，分別比鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池低54.3%。

鈉離子電池的未來發(fā)展

中國(guó)的相關(guān)政策明確了未來幾年大力發(fā)展商業(yè)儲(chǔ)能的政策方針。與抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能相比，電化學(xué)儲(chǔ)能完全不需要考慮地理?xiàng)l件。它可以在幾乎任何位置配置任何容量的儲(chǔ)能裝置，并且具有高充電和放電效率。這是中國(guó)接下來的幾年。近年來大力發(fā)展電化學(xué)儲(chǔ)能的重要原因之一。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型，減少或避免風(fēng)力和光的削減，中國(guó)的風(fēng)力光伏產(chǎn)業(yè)必須配備儲(chǔ)能設(shè)備。

電化學(xué)儲(chǔ)能的市場(chǎng)政策為鈉離子電池帶來了發(fā)展機(jī)遇。鈉離子電池的理論成本更低，工作溫度更寬，性能更符合儲(chǔ)能環(huán)境。其在-20°C下的容量保持率大于88%，這意味著與鋰離子電池相比，鈉離子電池可以有效解決高山地區(qū)儲(chǔ)能電站效率低的問題。

由于儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模巨大，即使鋰離子電池目前用于各種儲(chǔ)能項(xiàng)目，其覆蓋范圍也很小。也就是說，即使鈉離子電池能夠在幾年后真正應(yīng)用于儲(chǔ)能行業(yè)，其市場(chǎng)空間也不會(huì)被鋰離子電池占據(jù)太多，仍然可以大規(guī)模裝載和應(yīng)用。