鈉離子電池（鈉離子電池）

基本介紹

正當(dāng)鋰電池在全世界用量不斷下降之際，第二代手提電子學(xué)似可能有某些非鋰離子電池出現(xiàn)。一種潛在的取代者是鈉-離子電池，因?yàn)殁c較便宜，無(wú)毒和比鋰豐富。

現(xiàn)有鈉離子電池的最大缺點(diǎn)是，要太長(zhǎng)時(shí)間充電和放電。放電慢供應(yīng)不了高功率的應(yīng)用。一般，充/放電率和容量之間有個(gè)權(quán)衡，企圖增加充/放電率，會(huì)引起容量嚴(yán)重下降。

2015年三月，美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)期刊（Journal哦發(fā)他和Chemical Society)上出現(xiàn)新的研究；由雷勇（Yong Lei),他是德國(guó)理明擾技術(shù)大學(xué)的教授，為首的研究者，已在這領(lǐng)域內(nèi)取得了重要的改進(jìn)。他們證明，鈉-離子和鋰離子的充/放電率及容量都可達(dá)最高值。這重大的改進(jìn)為鈉-離子電池向手提電子學(xué)應(yīng)用鋪平道路。

為了達(dá)到這重大改進(jìn)，研究者考慮了鈉的一些基本性質(zhì)。鈉和鋰都有類似易失去電子的傾向—根據(jù)他們所測(cè)量的電化學(xué)勢(shì)接近—表明鈉和鋰都是一種好陽(yáng)極材料。但鈉離子比鋰離子約大25%，這使鈉較難進(jìn)入電極的晶體結(jié)構(gòu)，電極是化學(xué)反應(yīng)之處，造成鈉離子運(yùn)動(dòng)不快。這是鈉電池充/放電慢的原因。

研究人員不能減小鈉離子的大小，但可以改進(jìn)鈉離子進(jìn)入電極的效率；為此。他們采用延伸電極材料pai-共軛系統(tǒng)，它是一種露臺(tái)形態(tài)，包含多種廣闊空間層，形成讓鈉離子通過(guò)的快道，pai-共軛系統(tǒng)也改進(jìn)充電輸送和穩(wěn)定了充/放電狀態(tài)。

鈉－離子電池

工作原理

在充放電過(guò)程中，Na+在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫出：充電時(shí)，Na+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極；放電時(shí)則相反。

新款18650鈉離子電池，借助了鈉離子轉(zhuǎn)移（而不是鋰離子）來(lái)存儲(chǔ)和釋放電能。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)

研究人員將這種特定的材料定位商業(yè)機(jī)密，LITEN合作研究員Lo?c Simonin指出：“其能量密度可與磷酸鐵鋰等鋰離子電池相匹敵”。

鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲(chǔ)量更豐富，價(jià)格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大，所以當(dāng)對(duì)重量和能量密度要求不高時(shí)，鈉離子電池是一種劃算的替代品。

與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有的優(yōu)勢(shì)有：（1）鈉鹽原材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料，原料成本降低一半；（2）由于鈉鹽特性，允許使用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導(dǎo)率高于鋰電解液20%左右）降低成本；（3）鈉離子不與鋁形成合金，負(fù)極可采用鋁箔作為集流體，可以進(jìn)一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；（4）由于鈉離子電池?zé)o過(guò)放電特性，允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg，可與磷酸鐵鋰電池相媲美，但是其成本優(yōu)勢(shì)明顯，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。

研究歷史

鈉離子電池研究最早開(kāi)始于上世紀(jì)八十年代前后，早期被設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出來(lái)的電極材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2電化學(xué)性能不理想，發(fā)展非常緩慢。尋找合適的鈉離子電極材料是鈉離子儲(chǔ)能電池實(shí)現(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵之一。2010年以來(lái)，根據(jù)鈉離子電池特點(diǎn)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列正負(fù)極材料，在容量和循環(huán)壽命方面有很大提升，如作為負(fù)極的硬碳材料、過(guò)渡金屬及其合金類化合物，作為正極的聚陰離子類、普魯士藍(lán)類、氧化物類材料，特別是層狀結(jié)構(gòu)的NaxMO2（M= Fe、Mn、Co、V、Ti）及其二元、三元材料展現(xiàn)了很好的充放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。

由于鈉離子相對(duì)更大，需要更大的能量來(lái)驅(qū)動(dòng)離子的運(yùn)動(dòng)，這方面一度是新電池技術(shù)最頭疼的問(wèn)題，直到科學(xué)家們像碳芯電池一樣，采用碳作為驅(qū)動(dòng)介質(zhì)，使得鈉離子電池的能效可以達(dá)到鋰電池的7倍之多，而且可循環(huán)充電的次數(shù)更多。此外，鈉離子的液態(tài)記憶這項(xiàng)難題也被攻克。

中科院物理所胡勇勝研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)自2011年起致力于安全保、低成本、高性能鈉離子電池技術(shù)研發(fā)，開(kāi)發(fā)出低成本銅基正極材料、煤基碳負(fù)極材料、低鹽濃度電解液，其核心專利獲得中國(guó)、美國(guó)、日本及歐盟授權(quán)。2017年，建成百噸級(jí)正、負(fù)極材料中試線，兆瓦級(jí)產(chǎn)能的電池線，研制出能量密度為150 Wh/kg，循環(huán)壽命達(dá)3000周的鈉離子電池，并先后完成電動(dòng)自行車、全球首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車和首座100kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站示范應(yīng)用。研制的鈉離子電池產(chǎn)品可以滿足自行車等各類低速電動(dòng)車及電動(dòng)船的需求，也可用于家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、5G基站和數(shù)據(jù)中心后備電源，且適合應(yīng)用于可再生能源接入電網(wǎng)及分布式儲(chǔ)能等大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域。

2015年11月30日，法國(guó)一支研究團(tuán)隊(duì)在可充電電池材料上取得了一項(xiàng)重大進(jìn)步，“18650”鋰電池被普遍用于筆記本、LED手電、以及特斯拉Model S汽車等設(shè)備上，但法國(guó)國(guó)家科學(xué)研究中心的研究人員們首次開(kāi)發(fā)出了業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的18650規(guī)格的鈉離子電池。

上海交通大學(xué)馬紫峰教授研究小組在國(guó)家自然科學(xué)基金委和國(guó)家973計(jì)劃支持下，從工業(yè)化應(yīng)用角度出發(fā)，采用氧化石墨烯對(duì)[Na2/3[Ni1/3?Mn2/3]O2電極進(jìn)行修飾改性，制備了無(wú)粘結(jié)劑的高電導(dǎo)特性的柔性電極，在0.1C至10C充放循環(huán)條件下，獲得良好的容量和循環(huán)性能。該研究小組還采用廉價(jià)的普魯士藍(lán)類材料（NaMFe(CN)6），通過(guò)優(yōu)化晶體內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)，構(gòu)筑了高容量、長(zhǎng)循環(huán)壽命的鈉離子電池正極材料。其比容量高達(dá)118.2 mAh/g （10 mA/g）。在國(guó)際上首次將該材料與硬碳負(fù)極材料制備了儲(chǔ)能型鈉離子電池的原型電池，其能量密度達(dá)到了81.72 Wh/kg，是鉛酸電池的2倍，為儲(chǔ)能型鈉離子電池工業(yè)化奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

2018年12月，南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊(duì)合作，首創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控方法，在錳基正極材料研究方面取得重要進(jìn)展，使低成本鈉離子電池有望取代鋰離子電池，相關(guān)成果發(fā)表在《自然·通訊》上。這種正極材料制成的電極比容量達(dá)到211.9毫安時(shí)每克，而市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時(shí)每克。充放電過(guò)程中，這種正極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定無(wú)相變，體積變化僅為2%，循環(huán)充放電1000次后，比容量保持率高達(dá)94.6%，而電池行業(yè)一般的比容量保持率標(biāo)準(zhǔn)約為80%。

2021年7月29日，寧德時(shí)代成功舉行了首場(chǎng)線上發(fā)布會(huì)，董事長(zhǎng)曾毓群博士發(fā)布了寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池，同時(shí)，創(chuàng)新的鋰鈉混搭電池包也在發(fā)布會(huì)上首次亮相。^[1]