钠离子电池简介

 

钠离子电池的主要构成为正极、负极、隔膜、电解液和集流体，其中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。充电时，Na+从正极脱出，经电解液穿过隔膜嵌入负极，使正极处于高电势的贫钠态，负极处于低电势的富钠态。放电过程则与之相反，Na+从负极脱出，经由电解液穿过隔膜重新嵌入到正极材料中，使正极恢复到富钠态。为保持电荷平衡，充放电过程中有相同数量的电子经外电路传递，与 Na+一起在正负极间迁移，使正负极发生氧化和还原反应。钠离子电池工作原理与锂离子基本类似，这也给钠电池的产业化打下良好基础。

 

（1）正极材料：层状过渡金属氧化物 vs 普鲁士类化合物 vs 聚阴离子化合物

（2）负极材料：优选碳基材料

（3）电解液与隔膜：近似锂电

（4）集流体：使用铝箔，成本远低于锂电

 

钠离子电池的技术可行性可以从以下几方面考虑：

 

1.锂资源供不应求，钠资源丰富、成本低廉

2.钠离子电池性能优秀

 

从电池性能角度来看，钠离子电池也同样优秀。2022 年 5 月 10 日电池行业龙头宁德时代在互动平台表 示，公司于 2021 年发布钠离子电池，其电芯单体能量密度高达 160Wh/kg，常温下充电 15 分钟，电量可达 80%以上，在-20%℃低温环境中，也拥有 90%以上的放电保持率，系统集成效率可达 80%以上。公司正致力于推进钠离子电池在 2023 年实现产业化。

 

钠离子的溶剂化能比锂离子更低，即具有更好的界面离子扩散能力。同时，钠离子的斯托克斯直径比锂离子的小，相同浓度的电解液具有比锂盐电解液更高的离子电导率；更高的离子扩散能力和更高的离子电导率意味着钠离子电池的倍率性能更好，功率输出和接受能力更强，已公开的钠离子电池具备 3C 及以上充放电倍率，在规模储能调频时可以得到很好的应用。

 

3.钠离子电池高低温性能更优异

 

在-40℃低温下可以放出 70%以上容量，高温 80℃可以循环充放使用，这将在储能系统层面降低空调系统的功率配额，也可以降低温度控制系统的在线时间，进而降低储能系统的一次投入成本和运行成本。

 

4.安全、环保方面钠电具备较强竞争优势

 

安全性方面，由于钠离子电池内阻相对较高，发生短路时的瞬间发热量相对锂电池小，温升相对较低，具备更高安全性；同时，钠电中正负极都采用铝箔，电池的结构和组分更简单，也更易于回收再利用，使钠电池具备绿色环保性质。相比之下，铅酸电池中含有的铅、酸成分会对环境造成污染，因此环保性较差。

 

 

 

1.当前问题：材料欠佳、成本偏高、标准未定

 

（1）材料研究有待深入：硬碳机理，性能提升，安全评估

 

目前学术界对于硬碳的储钠机理尚存诸多争议，并未完全阐明。为改善现有硬碳负极首周效率较低等缺陷，必须深入理解其储钠的动力学机制，为技术研发提供最根本的理论指导。现有钠离子电池的材料性能尚有较大的改良空间。总体而言，现阶段的钠离子电池的能量密度与理论值存在较大差距，而且其循环性能也需要进一步提升。一方面，需要对活性材料进行不断改进。另一方面，也需要考虑其整体系统的设计和集成管理。对钠离子电池的实际运行安全性需要审慎评估。当前，对钠离子电池的安全测试实验是在电芯层面，结果显示虽安全性较高，但实际运行后的安全性则亟待观察，不宜盲目乐观。尤其是普鲁士蓝正极，其在热失控情况下会释放出氢氰酸、氰气等剧毒气体。

 

（2）成本优势有待实现：技术研发和规模效应缺一不可

 

钠离子电池成本的降低依赖于持续技术迭代对可变成本的削减，以及规模化量产对固定成本的摊薄。理论上，钠离子电池的确具有很大的材料成本优势，但目前产品的实际总成本在 1 元/Wh 以上，还高于磷酸铁锂，这主要是由于现阶段的技术成熟度不够而且尚未出现规模效应。一方面，电极材料的种类、制造工艺等都未标准化，而前驱体也缺乏稳定可靠的供应链，这导致电极材料的良率、一致性偏低，实际成本较高，这只能通过持续的技术探索改进。另一方面，生产设备的价格较高且折旧损耗较大，约占制造成本的 20~30%，这只能通过规模化量产进行摊薄。

 

（3）技术标准有待制定：规范市场秩序，促进健康发展

 

钠离子电池行业需要建立科学的统一标准，以规范企业的生产活动，促进产业健康有序发展。现阶段，从事钠离子电池研发生产的厂商的技术路线各不相同，孰优孰劣存在较大争议。目前，厂商主要是参照锂离子电池，结合钠离子电池特性和产业发展情况，制定适合各自企业的标准或产品规范，并以此指导产品设计及制造工艺、确保产品的良率和一致性，这导致了不同企业之间的产品性能和技术水平参差不齐。行业技术标准的统一制定，能起到较好的行业引领作用，是实现规模效应的必要保障。
 

2.技术展望：增强安全性，提高比能量

 

（1）水系钠离子电池：本征安全的钠离子电池

 

以水溶液电解质替换有机电解质，能从根本上提高钠离子电池的安全性。目前人们已经报道了大量的水系钠离子电池体系方案，其中普鲁士蓝体系的循环性能最佳，已经开始产业化尝试，代表性企业有 Natron Energy、贲安能源等。长期来看，水系钠离子电池是一个非常有前景的方向，尤其适用于储能领域。

 

 

  ( 2 ) 从目前产业端公布的数据来看，钠离子电池能量密度比磷酸铁锂电池低约 20%，相较于大部分磷酸铁锂电池 6000 次以上的循环性能，钠离子电池循环性能约在 4500 次以上。真正实现钠离子电池产业化可能仍需2-3 年时间。层状金属氧化物正极路线由于发展最为成熟，可能将走在产业化前列。