中國粉體網訊 鋰離子電池因其能量密度高,、循環(huán)壽命長等特點,，占據(jù)了二次電池的主要市場。目前,，最先進的儲能系統(tǒng)大都采用鋰離子電池技術,。盡管如此，由于鋰離子電池價格的波動,，尤其是鋰資源的消耗和未來可見的短缺,，學術界和工業(yè)界希望尋求一種新的可持續(xù)替代產品或技術來滿足不斷增長的全球儲能系統(tǒng)需求量。2010年左右,，室溫鈉離子電池重新受到關注,，被認為是一種很有前景的下一代二次電池系統(tǒng)，可以替代鋰離子電池進行大規(guī)模儲能,。鈉的天然儲量十分豐富,，地殼中的豐度在所有元素中居第六位，海洋和鹽湖中蘊藏著巨大的儲量,。同時，鈉和鋰是元素周期表中同一個主族的元素,，其化學性質非常相似。鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池基本相同。在充電過程中,，鈉離子從正極材料中析出,，通過電解液進入負極材料，同時電子通過外電路從正極流向負極,，放電過程則相反,。
表1 金屬鈉與金屬鋰基本性質對比
然而，時至今日,，在鋰離子電池產業(yè)技術,、規(guī)模化和市場壓力的推動與革新下,，磷酸鐵鋰離子電池每瓦時電芯價格已經降到了0.5元以下,，此時鈉離子電池是否還具備成本優(yōu)勢,，或是否有其他突出優(yōu)點，從而值得研究用于大規(guī)模應用上呢,？
一.鈉離子電池尚未大規(guī)模運用的原因
在研究初期,，研究人員經常借鑒鋰離子電池發(fā)展的技術路線，用鈉代替鋰離子電池電極材料中的鋰來研究鈉離子電池的電極材料,，但其綜合性能較差,，不如鋰離子電池。原因是鈉離子比鋰離子重,，電負性沒有鋰低,，因此相同的電極材料通常比相應的鋰離子具有較低的電壓和較低的比容量，從而導致電池的能量密度較低,。正是由于這種固有性質的限制,，鈉離子電池目前在應用中無法與鋰離子電池相比。另一方面,，由于鈉離子半徑（0.102nm）比鋰離子半徑（0.076nm）大30%以上,，鈉離子在剛性結構中相對穩(wěn)定，難以可逆脫嵌,。即使能發(fā)生脫嵌,，鈉離子的嵌入和脫嵌動力學非常緩慢，容易引起電極材料結構不可逆的相變,，降低電池的循環(huán)性能,。這樣電池的循環(huán)壽命也會成為制約鈉離子電池實際應用的瓶頸。鈉離子電池這兩個方面的短板亟待科研人員的研究來克服,。
二.資源限制因素
從資源上看,，全球已探明的鋰儲量約7100萬噸（以碳酸鋰當量計）。僅考慮電動汽車應用方面,，如果注意對鋰離子電池加以回收,，鋰資源似乎能夠滿足全球電動汽車市場的需求。但對于大規(guī)模儲能,，仍將面臨鋰資源短缺的問題,，而這勢必將引起鋰資源價格的波動。作為全球第四大鋰儲量國,，中國理應較長一段時期內不受鋰資源短缺的困擾,，但我國的鋰資源以鹵水型為主要來源，提取提純難度大,，成本相對高,；而少部分礦石型鋰資源主要分布在四川西部地區(qū)，基礎設施,、交通運輸和企業(yè)管理等條件均較差,，開采所需人力,、物力以及尾礦處理成本很高，目前僅進行了少量開采,，大規(guī)模開發(fā)基本處于停滯狀態(tài),。如此一來，我國鋰礦的進口需求度超過80%,，勢必為鋰離子電池產業(yè)的發(fā)展埋下諸多不確定因素,。因此，鋰資源的限制所帶來的壓力在可預見的未來將會越來越大,，而這為沒有資源限制的鈉離子電池提供了更廣闊的發(fā)展空間,，發(fā)展鈉離子電池也具有了重要的戰(zhàn)略意義。
三.鈉離子電池與鋰離子電池成本對比
地殼中鈉元素較高的豐度（為鋰元素的幾百倍）是鈉離子電池價格優(yōu)勢的主要原因,。此外,，鈉離子電池可以采用相對價格低廉的鋁來替代銅作為集流體材料。另外,，鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子的小,，更低濃度電解液可以達到同樣離子電導率，也可以降低部分成本,。由此看來,，鈉離子電池的成本必定會低于鋰離子電池。然而,，由于鈉離子電池相對較低的能量密度,，在以能量來計算價格的方式上，低能量密度意味著將需要更多的輔材和制造成本,，這些輔材和制造成本將拉高電池每瓦時的價格,。
根據(jù)2019年上半年的數(shù)據(jù)，以現(xiàn)在110A·h磷酸鐵鋰電芯成本計算,，其電芯能量密度為165 W·h/kg,，而成本為0.54元/(W·h)。以現(xiàn)有鈉離子電池正負極材料的比容量,、輔件價格和實現(xiàn)效率為基礎，并將以后規(guī)�,；摌O材料和電解液的價格預估為2和2.4萬元/噸,，我們可以計算出以硬碳為負極的鈉離子電池（以120 W·h/kg為基礎）的成本為0.55 元/((W·h)。同時,，預估出不同能量密度下的鈉離子電池成本,，結果如下圖。
圖1 不同能量密度的鈉離子電池預估成本圖
從上述成本分析看,，似乎鈉離子電池預估成本與現(xiàn)有的鋰離子電池沒有太大的優(yōu)勢,，這主要是在于實際上鋰在鋰離子電池成本中所占的比重并不大（約7%）,，而鈉離子電池由于較低的能量密度，使得其輔材和制造成本在總成本中占比過大從而拉高了總成本,。因此,，開發(fā)具有高能量密度和低成本輔助材料的鈉離子電池系統(tǒng)是進一步降低其成本的必要途徑。同時我們也需要看到,，如果正負極材料采用更豐富且更便宜的原材料,，成本可能低于2萬/噸。此時,，較低能量密度鈉離子電池系統(tǒng)也將具有一定的價格優(yōu)勢,。
盡管目前鈉電成本優(yōu)勢不明顯，但通過材料和生產工藝的優(yōu)化,，鈉電池的成本在未來可以大大降低,，將對鋰電池具有明顯的價格優(yōu)勢。
四.其他可能的應用優(yōu)勢
首先,，上文提過鈉離子電池具有資源無限制的優(yōu)勢,，這可抵御未來可能出現(xiàn)的區(qū)域資源風險，保障國家能源戰(zhàn)略安全和國家政策的順利實施,；其次,，鈉離子電池與鋰離子電池的工作原理相似，與鋰離子電池的生產設備大多可兼容,，方便將來設備的更新?lián)Q代,；另外，由于鋁和鈉在低電位不會發(fā)生合金化反應,，鈉離子電池正極和負極的集流體都可使用廉價的鋁箔,，且不用擔心過放，方便長距離交通運輸,；根據(jù)目前初步的高低溫測試結果,，鈉離子電池高低溫性能更優(yōu)異；鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低,，即具有更好的界面離子擴散能力,，界面反應動力學性能更好；鈉離子電池可以引入雙極性電池技術,，進一步提高能量密度（如圖2）,；最后，從不同正極材料的一些實體鈉離子電池的安全測試來看,，似乎鈉離子電池普遍具有高的安全性能,。在進行的所有安全項目測試中，均未發(fā)現(xiàn)起火現(xiàn)象,，安全性能更好,。這可能是由于鈉離子電池的內阻相比鋰離子電池要稍微高一點,，致使在短路等安全性試驗中瞬間發(fā)熱量少、溫升較低,。
更多鈉離子電池特有的優(yōu)勢還會隨著研究的深入逐漸顯示出來,，挖掘這些特有優(yōu)勢將提高鈉離子電池產品差異化，使其在未來市場競爭中占據(jù)多方位多層次的有利地位,。
圖2 分別使用單體電池串聯(lián)和雙極性電池方式成組的固態(tài)鈉電池（相同電壓和容量）
體積對比示意圖
總之,，鈉離子電池是一種重要的儲能技術，成本低,、資源豐富且綜合性能較好,，具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＮ磥礅c離子電池可以應用在生活,、生產中多個領域,，將促進能源互聯(lián)網的建成。為了提高鈉離子電池的市場競爭力,，需要開發(fā)具有更高性價比的產品,，而提高鈉離子電池能量密度是降低單位成本的關鍵因素。同時,，還需進一步開發(fā)具有高比容量的正負極材料,，進而有效減少非活性物質（導電劑、黏結劑,、隔膜等）在總成本中的占比,；同時開發(fā)新工藝，以降低生產制造成本,，這些將是鈉離子電池下一步在基礎研究和工程化探索方面的重要突破方向,。
參考來源：
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2.LU Y, RONG X, HU Y S, et al. Research and development of advanced battery materials in China
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4.容曉輝，陸雅翔等. 鈉離子電池：從基礎研究到工程化探索
5.侴術雷. 高比能鈉離子電池用低成本電極材料的研究與實踐
6.方錚, 曹余良, 胡勇勝等. 室溫鈉離子電池技術經濟性分析
（中國粉體網編輯整理/波德）
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