钠离子电池（钠离子电池）

基本介绍

正当锂电池在全世界用量不断下降之际，第二代手提电子学似可能有某些非锂离子电池出现。一种潜在的取代者是钠-离子电池，因为钠较便宜，无毒和比锂丰富。

现有钠离子电池的最大缺点是，要太长时间充电和放电。放电慢供应不了高功率的应用。一般，充/放电率和容量之间有个权衡，企图增加充/放电率，会引起容量严重下降。

2015年三月，美国化学学会期刊（Journal哦发他和Chemical Society)上出现新的研究；由雷勇（Yong Lei),他是德国理明扰技术大学的教授，为首的研究者，已在这领域内取得了重要的改进。他们证明，钠-离子和锂离子的充/放电率及容量都可达最高值。这重大的改进为钠-离子电池向手提电子学应用铺平道路。

为了达到这重大改进，研究者考虑了钠的一些基本性质。钠和锂都有类似易失去电子的倾向—根据他们所测量的电化学势接近—表明钠和锂都是一种好阳极材料。但钠离子比锂离子约大25%，这使钠较难进入电极的晶体结构，电极是化学反应之处，造成钠离子运动不快。这是钠电池充/放电慢的原因。

研究人员不能减小钠离子的大小，但可以改进钠离子进入电极的效率；为此。他们采用延伸电极材料pai-共轭系统，它是一种露台形态，包含多种广阔空间层，形成让钠离子通过的快道，pai-共轭系统也改进充电输送和稳定了充/放电状态。

钠－离子电池

工作原理

在充放电过程中，Na+在两个电极之间往返嵌入和脱出：充电时，Na+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反。

新款18650钠离子电池，借助了钠离子转移（而不是锂离子）来存储和释放电能。

技术优势

研究人员将这种特定的材料定位商业机密，LITEN合作研究员Loïc Simonin指出：“其能量密度可与磷酸铁锂等锂离子电池相匹敌”。

钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。由于钠离子比锂离子更大，所以当对重量和能量密度要求不高时，钠离子电池是一种划算的替代品。

与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：（1）钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；（2）由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液（同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右）降低成本；（3）钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；（4）由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。

研究历史

钠离子电池研究最早开始于上世纪八十年代前后，早期被设计开发出来的电极材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2电化学性能不理想，发展非常缓慢。寻找合适的钠离子电极材料是钠离子储能电池实现实际应用的关键之一。2010年以来，根据钠离子电池特点设计开发了一系列正负极材料，在容量和循环寿命方面有很大提升，如作为负极的硬碳材料、过渡金属及其合金类化合物，作为正极的聚阴离子类、普鲁士蓝类、氧化物类材料，特别是层状结构的NaxMO2（M= Fe、Mn、Co、V、Ti）及其二元、三元材料展现了很好的充放电比容量和循环稳定性。

由于钠离子相对更大，需要更大的能量来驱动离子的运动，这方面一度是新电池技术最头疼的问题，直到科学家们像碳芯电池一样，采用碳作为驱动介质，使得钠离子电池的能效可以达到锂电池的7倍之多，而且可循环充电的次数更多。此外，钠离子的液态记忆这项难题也被攻克。

中科院物理所胡勇胜研究员带领团队自2011年起致力于安全保、低成本、高性能钠离子电池技术研发，开发出低成本铜基正极材料、煤基碳负极材料、低盐浓度电解液，其核心专利获得中国、美国、日本及欧盟授权。2017年，建成百吨级正、负极材料中试线，兆瓦级产能的电池线，研制出能量密度为150 Wh/kg，循环寿命达3000周的钠离子电池，并先后完成电动自行车、全球首辆钠离子电池低速电动车和首座100kWh钠离子电池储能电站示范应用。研制的钠离子电池产品可以满足自行车等各类低速电动车及电动船的需求，也可用于家庭/工业储能、5G基站和数据中心后备电源，且适合应用于可再生能源接入电网及分布式储能等大规模储能领域。

2015年11月30日，法国一支研究团队在可充电电池材料上取得了一项重大进步，“18650”锂电池被普遍用于笔记本、LED手电、以及特斯拉Model S汽车等设备上，但法国国家科学研究中心的研究人员们首次开发出了业界标准的18650规格的钠离子电池。

上海交通大学马紫峰教授研究小组在国家自然科学基金委和国家973计划支持下，从工业化应用角度出发，采用氧化石墨烯对[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2电极进行修饰改性，制备了无粘结剂的高电导特性的柔性电极，在0.1C至10C充放循环条件下，获得良好的容量和循环性能。该研究小组还采用廉价的普鲁士蓝类材料（NaMFe(CN)6），通过优化晶体内部分子结构，构筑了高容量、长循环寿命的钠离子电池正极材料。其比容量高达118.2 mAh/g （10 mA/g）。在国际上首次将该材料与硬碳负极材料制备了储能型钠离子电池的原型电池，其能量密度达到了81.72 Wh/kg，是铅酸电池的2倍，为储能型钠离子电池工业化奠定良好的技术基础。

2018年12月，南京理工大学夏晖教授与中外团队合作，首创结构设计和调控方法，在锰基正极材料研究方面取得重要进展，使低成本钠离子电池有望取代锂离子电池，相关成果发表在《自然·通讯》上。这种正极材料制成的电极比容量达到211.9毫安时每克，而市面上流通的锂电池正极材料比容量约为140毫安时每克。充放电过程中，这种正极材料结构稳定无相变，体积变化仅为2%，循环充放电1000次后，比容量保持率高达94.6%，而电池行业一般的比容量保持率标准约为80%。

2021年7月29日，宁德时代成功举行了首场线上发布会，董事长曾毓群博士发布了宁德时代的第一代钠离子电池，同时，创新的锂钠混搭电池包也在发布会上首次亮相。^[1]