钠离子电池离我们还有多远
钠离子电池离我们还有多远
钠离子电池作为一种新型电池技术，近年来备受关注。它不仅具有资源丰富、成本低廉、安全性高等优势，还在储能系统、电动汽车等领域展现出广阔的应用前景。本文将为您详细介绍钠离子电池的工作原理、优势以及与锂离子电池的对比，帮助您全面了解这一前沿科技。
钠离子电池是什么？
钠离子电池是一种使用钠离子作为电荷载体的可充电电池。该电池主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，包括正极、负极、电解液，隔膜、集流体五个部分。与我们熟知的锂离子电池相比，钠离子电池的主要区别在于其使用钠元素而非锂元素作为主要活性物质。
钠离子电池的发展背景
为什么钠离子电池发展突飞猛进？我们从两个方面加以分析。
锂离子电池发展存在的主要矛盾
我国“3060”碳中和目标，促使新能源产业得到大力发展。锂离子电池得到成熟应用。全球锂资源需求大增。导致锂供给不足。锂比较稀有，而且只在少数国家开采。从全球的范围看，锂资源短缺的趋势愈发明显。
锂是挥发性金属，易燃或爆炸。锂离子电池存在一定安全风险。
钠离子电池展现的优势
- 钠相对稳定，制造更安全，回收更安全。
- 钠资源丰富，开采更容易，比锂便宜得多。钠在任何有海水或盐矿的地方都有可能被发现。
钠离子电池的工作原理与分类
钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，均是“摇椅式”二次电池，差别只在于利用元素周期表同组，化学特性相近的钠取代锂。实际工作场景中，钠离子电池的工作原理参见下表。
状态 | 说明 | 电流产生 |
|---|---|---|
充电状态 | 钠离子（Na+）从正极材料脱嵌，经过电解液和隔膜嵌入到负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。电子的补偿电荷经过外电路供给到负极，使得正极发生氧化反应，负极发生还原反应，保证正 / 负极电荷平衡。 | 充电时钠离子（Na+）移动到负极，放电时钠离子（Na+）移动到正极。钠离子（Na+）的来回移动类似“摇椅”。这种移动过程使得电子在电路中流动，从而产生电流。 |
放电状态 | 钠离子（Na+）从负极材料中脱嵌，经过电解液和隔膜嵌入到正极，使正极处于富钠态，负极处于贫钠态。外电路中电子也随之移动来保持电荷平衡。 |
钠离子分类参见下表。
分类 | 材料体系 |
|---|---|
钠硫电池 | 金属钠作为负极，非金属硫作为正极；β-AI203 陶壳管同时充当电解质和隔膜 |
钠盐电池 | 钠盐电池是钠 / 金属氯化物电池，其正极为金属钠，负极为金属氯化物，电解质为 β-AI203 陶壳管和 NaAICI4 熔融盐复合电解质 |
钠-空气电池 | 钠-空气电池以金属钠作为负极材料，空气中的氧气作为正极活性物质 |
市场主流二次电池核心特征对比
类型 | 钠离子电池 | 铅酸电池 | 磷酸铁锂电池 | 三元锂电池 |
|---|---|---|---|---|
能量密度（Wh/kg） | 120-160 | 40 | 150-200 | ▷160-350◁ |
循环寿命 | 高 | 极低 | 高 | 一般 |
热稳定性 | 优 | 优 | 优 | 较优 |
低温性能 | 优 | 差 | 一般 | 较优 |
快充性能 | 较优 | - | 一般 | 优 |
材料成本 | 低 | - | 一般 | 较高 |
环保情况 | 最优 | 铅污染 | 优 | 钴、镍污染 |
根据对比，钠离子电池具有以下优势：
- 资源丰富：钠资源在全球范围内分布广泛，且价格低廉。
- 安全性高：钠离子电池的热稳定性较好，不易发生过热或爆炸等安全事故。
- 环保性能好：钠离子电池的生产过程对环境影响较小。
因此，钠离子电池具有替代锂离子电池的潜力。
钠离子电池的应用场景
目前，中国新能源汽车工业所需要的锂资源（碳酸锂）中有 80% 仍然依赖进口，而且锂资源不足以同时支撑动力电池、消费电池和储能电池三条赛道的巨大需求，发展钠离子电池有其必要性和紧迫性。
钠离子电池已经在一些特定领域得到了应用，如储能系统、电动汽车等。2024 年 6 月大唐湖北 100 兆瓦 / 200 兆瓦时钠离子新型储能电站实现了钠离子电池在全球的首次大规模商业化应用。
特别是钠离子电池在极寒地区具有耐低温的突出优势，磷酸铁锂电池和三元锂电池技术短期无法弥补这一短板。随着技术的进步和成本的降低，钠离子电池有望在未来得到更广泛的应用。