关于钠离子电池，你应该要知道这些……
关于钠离子电池，你应该要知道这些……
钠离子电池作为新能源领域的重要技术发展方向，其工作原理、应用领域、产业化进展以及正极材料的研究现状备受关注。本文将为您详细介绍钠离子电池的相关知识，帮助您全面了解这一前沿技术。
钠离子电池的应用前景
钠离子电池因其成本效益和高能量密度被用于电动汽车、电网级储能、消费电子、海洋应用和医疗设备。特别是在低速电动车、分布式储能及大规模储能领域具有广阔的应用前景。在2025年，乐观情况下，钠电池在储能领域的渗透率有望提升至6%/13%，在两轮电动车领域渗透率有望提升至20%/40%，预计全球钠电池总需求量有望超过30/70GWh。
工作原理与结构
钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，都是基于“摇椅式”电池的概念。在充放电过程中，钠离子（Na+）在两个电极之间往返嵌入和脱出。充电时，钠离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反，钠离子从负极脱出，重新嵌入到正极材料中。
钠离子电池主要由正极、负极、隔膜、电解液和集流体构成。正极和负极材料的结构和性能决定着整个电池的储钠性能。正负极之间通过隔膜隔开防止短路，电解液浸润正负极作为离子流通的介质，集流体起到收集和传输电子的作用。
正极材料的关键特性
开发理想的正极材料是钠离子电池商业化进程中的关键一步。理想的正极材料应使钠离子能够实现完全可逆的脱嵌过程，同时保持晶体结构的完整性。根据《钠离子电池正极材料研究进展》的报告，理想的钠离子电池正极材料应具备以下特性：
- 高氧化还原电位：这有助于提升整个电池的工作电压，从而增加电池的能量密度。
- 高比容量：无论是质量还是体积，都需要有较大的比容量。
- 高电解液稳定性：在循环过程中，结构的稳定性是确保电池长寿命的关键。
- 高电子电导率：这有助于减少电池的内阻。
- 高离子电导率：要求电极材料具有适宜的钠离子扩散通道和较低的离子迁移能垒。
- 高能量转换效率和保持率：这关系到电池的效率和性能持久性。
- 空气中的稳定性：确保材料在存放过程中性质不会恶化。
- 安全无毒：材料应对人体和环境无害。
- 成本效益：原材料成本应低廉，且易于制备。
产业化进展与挑战
近年来，锂离子电池原材料本土供应不足，中国锂盐生产超过60%的锂原料需要进口，对外依存度较高。而钠离子电池凭借诸多优势，市场升温明显。宁德时代董事长曾毓群曾直言，“氯化钠（价格）炒不起来，盐很多。”
钠离子电池的正极材料主要分为四大类：过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物以及有机材料。在这些材料中，过渡金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物的研究较为广泛，且产业化发展较为迅速。
正极材料分类
过渡金属氧化物：这类材料分为层状结构氧化物和隧道结构氧化物。层状氧化物因其周期性的层状结构而具有较高的能量密度，但它们通常容易吸收水分或与空气中的组分发生反应。而隧道型氧化物则因其“S”形的隧道结构而展现出良好的倍率性能，并且对空气和水分具有较高的稳定性，尽管它们的比容量相对较低。
聚阴离子化合物：这类材料拥有开放的三维框架结构，这使得它们具有较好的倍率性能。然而，它们的导电性较差，通常需要通过碳包覆和掺杂等手段来提高电子和离子的导电性，但这可能会降低其体积能量密度。
普鲁士蓝类化合物：这些材料拥有开放的三维通道结构，允许钠离子在其中快速迁移，因此它们在结构稳定性和倍率性能方面表现良好。不过，它们面临的挑战包括难以去除的结晶水和过渡金属离子的溶解问题。
有机材料：这类材料通过多电子反应参与，因此具有较高的比容量。但是，它们的电子导电性较差，并且容易在有机电解液中溶解。
热稳定性检测
对于钠离子电池的正极材料，稳定的晶体结构至关重要，因为高电压下活性物质的分解会带来很多安全隐患。一旦温度达到临界点，便会引发正极的热分解以及电解液的燃烧反应。在这个过程中，正极分解的温度对电池的安全性尤为关键。
分解温度是指在一定条件下，化学物质分解反应发生的温度。当化学物质受热分解时，其分子或离子内部的键发生断裂，使得反应物分解为不同的产物，一般也伴随着气体的生成。正极的热稳定性可以通过热重分析（TGA）联用差示扫描量热法（DSC）和质谱仪（MS）来评估。TGA-MS可以记录充电正极的质量损失并检测损失O2的量随温度变化的情况。DSC可以提供正极与电解液混合物放热燃烧反应的温度和热量释放的信息。
循环后单晶镍铁锰酸钠样品TGA-MS曲线
通过TG-MS联用可以对循环后的正极材料的热稳定性进行分析，并分析其逸出的气体成分。从上图中可以看出，样品中水的释放温度区间主要集中在初始温度和300℃往上的第一个失重过程中。并且，从氧气的释放温度区间可以判断循环后的单晶层状镍铁锰酸钠在300℃开始便发生层状结构的变化。归结为层状结构的相变引起氧气的释放，而氧气的释放会促燃影响电池的热安全性。高温下的逸出气体产物主要为CO2、甲烷和氢气，这与正极材料的高温结构演变和持续分解是密不可分的。
根据实际样品分解情况分析。例如：如图C所示，直到600度才有部分气体逸出，出现部分不可逆的相变。
尽管钠离子电池技术仍处于商业化的早期阶段，但它被视为电化学储能领域的下一个重要发展方向，对于中国企业而言，在国际储能市场上占据一席之地至关重要。目前，钠离子电池的产业链正在迅速构建，众多行业领军企业、电池技术专家和新兴创业公司都在积极布局，以期在这一领域取得先机。
本文原文来自 Shiyanjia.com
