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下載手機APP 5月21日，寧德年代(SZ：300750)董事長曾毓群在公司股東大會上表明，鈉離子電池現(xiàn)已老練了，將于本年7月份左右發(fā)布鈉離子電池。
早前在一月份，我國工程院院士陳立泉在一論壇上則表明：“全世界的電能都用鋰離子電池貯存，根本不行，鈉離子電池是新電池的首選，為什么介紹鈉離子電池呢?因為鋰離子電池現(xiàn)在全世界都在做，如果說全世界的車都用鋰離子電池來開，全世界的電能都用鋰離子電池貯存，根本不行，所以咱們一定要考慮新的電池，鈉離子電池是首選。”
什么是鈉離子電池?鈉離子電池經(jīng)歷了怎樣的開展進程?其商業(yè)化現(xiàn)已到達何種水平?本文回答這3個問題。
在曩昔十年中，儲能領(lǐng)域現(xiàn)已逐步進入后鋰電年代，其標(biāo)志就是鈉離子電池的復(fù)興。早在2010年前后，鋰離子電池正深刻改變社會生活之際，科研界就現(xiàn)已注意到鋰資源的匱乏以及全球分布嚴(yán)峻不均的問題。
因而，鈉離子電池技能又逐步回到了科研界的視野，而且憑借著在研討鋰離子電池技能上積累的經(jīng)歷得到了快速的開展。僅僅五年以后，即2015年，第一代鈉離子電池就現(xiàn)已邁入了商業(yè)化的進程。
圖1：與鈉離子電池技能相關(guān)的學(xué)術(shù)論文發(fā)表數(shù)量及專利數(shù)量(數(shù)據(jù)統(tǒng)計截止至2020年5月)
針對鈉離子電池的研討能夠追溯到20世紀(jì)70年代，近10年來鈉離子電池的相關(guān)研討更是迎來了井噴式增長。2011年，全球首家專注鈉離子電池工程化的英國FARADION公司率先建立，之后在全世界規(guī)劃內(nèi)鈉離子電池公司雨后春筍般踐約而至。
現(xiàn)在國內(nèi)外有近二十家企業(yè)對鈉離子電池進行工業(yè)化相關(guān)布局，首要包含英國FARADION公司、美國NatronEnergy公司、美國AquionEnergy公司、法國NAIADES計劃集體、日本岸田化學(xué)、松下、三菱以及我國的中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電等公司。其間歐洲因其鋰、鈷等重要鋰電上游資源缺少，相對重視鈉離子電池的開展。
鈉離子電池的作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)與鋰離子電池十分相似。因而，開展鈉離子電池技能的要害相同在于找到適宜的正、負極資料以及電解液。
要害技能開展情況
1、負極側(cè)
現(xiàn)在科研界開宣布了金屬氧化物(例如Na(Fe,Ti)O4、TiO2、Na2Ti3O7等)、有機資料、根據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反響的資料(例如Sb基、P基等)、碳基資料等四大類。圖2給出了一些代表性負極資料的能量密度-比容量圖。
圖2：NIB中運用的各種負極資料的能量密度與比容量規(guī)劃，包含硬碳(橙色)、錫基(赤色)和銻基(深綠色)合金以及磷基化合物(淺綠色)
金屬氧化物具有安定的無機骨架結(jié)構(gòu)往往展現(xiàn)出超長的循環(huán)壽數(shù)，但因其具有相對較高的分子質(zhì)量，所以比容量一般都偏低，難以滿足商業(yè)化的需求。
有機負極資料最大的特點就是本錢低且結(jié)構(gòu)多樣，可是依然存在許多問題，包含：較低的首圈庫倫功率、循環(huán)進程中的極化問題、低電子電導(dǎo)、有機分子在電解質(zhì)中的溶解問題等等。
總的來說，有機鈉離子電池的開展具有很大潛力，但現(xiàn)在對這類資料的研討依然處在起步階段。
根據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反響的負極資料存在的最大問題便是脫嵌鈉進程中巨大的體積改變導(dǎo)致活性物質(zhì)的粉化，致使容量敏捷衰減。
碳基負極資料首要是指無定形碳(包含硬碳和軟碳)現(xiàn)在首要的作業(yè)會集于按捺循環(huán)進程中的容量衰減以及提高首圈庫倫功率。軟碳以及復(fù)原石墨烯氧化物的比容量能夠做到很高，可是相應(yīng)的作業(yè)電壓也高。
因而對這些資料的研討重點除了提高首圈庫倫功率，還需求進一步下降作業(yè)電壓。從圖3中能夠看出，硬碳(HC)通常作業(yè)電位較低且具有比較高的容量，也因而，現(xiàn)在商業(yè)化的鈉離子電池產(chǎn)品所運用的負極簡直都是硬碳。
圖3：不同碳基資料的比容量和平均氧化電位。
2、正極側(cè)
因為鈉和過渡金屬離子之間較大的半徑差異，有許多功能性的結(jié)構(gòu)都能夠完成鈉離子的可逆脫嵌。首要的正極資料包含：層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍類似物(PBA)、根據(jù)轉(zhuǎn)化反響的資料以及有機資料。
在上述資料類型中，層狀過渡金屬氧化物(NaxTMO2)、聚陰離子化合物、普魯士藍類似物(PBA，Na2M[Fe(CN)6]，其間M=Fe,Co,Mn,Ni,Cu,等等)是現(xiàn)在最具開展遠景三類資料。
層狀過渡金屬氧化物資料能夠完成極佳的電化學(xué)功能(較高的比容量、作業(yè)電壓以及大于1000圈的循環(huán)壽數(shù))，其過渡金屬元素往往包含地殼中含量豐厚的元素，而且組成進程簡單，能夠滿足規(guī)劃化出產(chǎn)的要求。
聚陰離子資料作業(yè)電壓高(對鈉電壓可高達4V)，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，缺陷是離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)率較低，而且較大的分子質(zhì)量也拉低了比容量。
其間兩種快離子導(dǎo)體資料Na3V2(PO4)3和Na3V2O2x(PO4)2F3-2x因具有相當(dāng)好的倍率功能和循環(huán)壽數(shù)在眾多聚陰離子資猜中脫穎而出。可是這些資猜中的變價元素V具有一定毒性。
普魯士藍類似物具有開放式的骨架結(jié)構(gòu)和很強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，骨架內(nèi)具有很多的氧化復(fù)原位點。
現(xiàn)在這類資料能夠完成很高的能量密度(大約500–600Whkg-1)，而且能夠經(jīng)過較低的溫度組成?？墒沁@種資料因為導(dǎo)電性不好需求參加很多碳，這下降了體積比容量。
因為這種物質(zhì)一般都是在水介質(zhì)中組成的，其結(jié)構(gòu)中總會包含一些配位水或許空隙水，這不利于其在非水系體系的運用，但卻有利于完成在水系體系中出色的循環(huán)穩(wěn)定性。別的，因為氰酸根的存在這種資料還有潛在的毒性。
根據(jù)轉(zhuǎn)化反響的正極資料具有很高的理論容量，可是這種資料也具有根據(jù)轉(zhuǎn)化反響和合金化反響的通病——過大的體積改變。
別的這類資料還具有較大的過電勢以及較慢的Na離子傳導(dǎo)速度。對于這類資料的開發(fā)仍處于開始階段。
有機正極資料不含過渡金屬元素，本錢更低而且具有更小的分子量，別的還具有結(jié)構(gòu)多樣性、安全性，機械柔性等。
羰基化合物(PTCDA和硫氰酸二鈉)是近年來被研討最廣泛的一類有機正極資料，其首要的缺陷是會溶于有機電解液導(dǎo)致容量敏捷衰減，其較低的電導(dǎo)率也導(dǎo)致倍率功能不佳?，F(xiàn)在此類資料的開展也出于開始階段。
圖4：鈉離子電池體系中最具代表性的負極資料總覽。
總的來說(如圖4)，層狀氧化物在三種最有遠景的資猜中展現(xiàn)了最高的理論容量。聚陰離子具有較低的理論比容量可是它們的試驗比容量十分接近理論容量。
不同品種PBA的理論比容量相差較大，而且因為存在意料之外的儲鈉位點有時展現(xiàn)出比理論容量更高的容量。三品種型的資料的試驗比容量大概都在100-200mAh/g之間，這對于制作商業(yè)化的電池來說足夠了。
3、電解液
現(xiàn)在開宣布的鈉離子電池的電解質(zhì)與鋰離子電池相同豐厚，包含水系、有機系、固態(tài)三大類。它們在不同溫度下的離子電導(dǎo)率如圖5所示。
圖5：代表性鈉基電解質(zhì)的溫度-離子導(dǎo)電性概覽。
水系電解質(zhì)本錢低、安全性高、環(huán)境友好，可是因為水的分化電壓限制，其作業(yè)窗口太窄，一起還得考慮與電極的適配問題，例如會不會發(fā)生腐蝕?如果是嵌入型電極資料，氫離子會不會嵌入進去?
非水系液態(tài)電解質(zhì)依然是開展最老練的體系?，F(xiàn)在最常見的溶劑是EC:PC、EC:DEC也有部分電解液運用PC作單一溶劑。
NaClO4則是現(xiàn)在運用最多的鈉鹽，它具有杰出的電化學(xué)行為，本錢低，可是缺陷是有爆炸的危險。FEC是最常用的添加劑，有利于在負極構(gòu)成薄且穩(wěn)定的SEI。
離子液體電解液通常在60-80℃展現(xiàn)最佳的功能。在室溫下，其離子電導(dǎo)率太低，粘度又太高。離子液體中研討最多的有機分子是咪唑和吡咯烷。
對于這種電解液，鈉鹽的濃度是一個要害性因素，較高的鈉鹽濃度具有更好的穩(wěn)定性，而且能飽嘗住更大的電流，但相應(yīng)本錢也會上升。
離子液體電解質(zhì)能夠被視為是下一代鈉離子電解質(zhì)，可是其本錢還需進一步下降，作業(yè)溫度也需求進一步優(yōu)化。
固態(tài)聚合物電解質(zhì)含有鈉鹽和彈性聚合物基體，具有杰出的通用性、靈活性和熱力學(xué)穩(wěn)定性，但在室溫下的離子電導(dǎo)率很差。
經(jīng)過調(diào)理電解質(zhì)鹽(NaPF6、NaTFI、NaFSI…)和聚合物基體，能夠提高這些體系的離子電導(dǎo)率。聚環(huán)氧乙烷(PEO)是最常見的能溶解多種鈉鹽的聚合物。
復(fù)合固態(tài)聚合物電解質(zhì)由無機填料(SiO2,Al2O3,TiO2…)和固態(tài)聚合物電解質(zhì)組成，因為結(jié)晶度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的下降以及無機填料表面基團與聚合物鏈和鹽的相互作用，提高了離子導(dǎo)電性。
無機固態(tài)電解質(zhì)包含陶瓷體系，因而比較硬，比方氧化物、磷酸鹽、亞硫酸鹽或氫化物等。其間β″-Al2O3和快離子導(dǎo)體Na3Zr2Si2PO12是至今為止運用的最多的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)。
無機固態(tài)電解質(zhì)一般只合適高溫或中高溫狀態(tài)下運用，例如Na-S電池。其最大的問題在于高硬度帶來的界面觸摸問題。對此，科研界提出了用NASICON電解質(zhì)加少數(shù)離子液體組合的方法來緩解界面問題。
玻璃資料的運用是另一種前進方向，因為它們易于成型或構(gòu)成薄膜，它們能夠提供與電極的杰出觸摸。在這方面，硫化物化學(xué)是最有出路的化學(xué)之一。在LIBs玻璃狀硫化物方面積累的經(jīng)歷激發(fā)了人們對Na10GeP2S12、Na10SnP2S12或Na3PS4等硫化物的愛好。
準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)即指運用液體成分作為增塑聚合物電解質(zhì)(PPE)以及凝膠聚合物電解質(zhì)，其間液體增塑劑的含量在50%左右。
圖6：總結(jié)了上文介紹的固體和準(zhǔn)固體電解質(zhì)的首要優(yōu)缺陷。
總歸，水系和非水系液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率值最高，盡管前者的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口較低，后者存在與SEI穩(wěn)定性和可燃性相關(guān)的問題，但這些缺陷能夠經(jīng)過規(guī)劃功能性固體電解質(zhì)來克服。
商業(yè)化情況
現(xiàn)在商業(yè)化鈉離子電池運用的負極資料都是硬碳。而三類首要正極資料都現(xiàn)已有完成商業(yè)化出產(chǎn)的例子。
英國的Faradion公司、我國的中科海鈉公司都開宣布了具有較高比容量的層狀氧化物正極資料，由其構(gòu)成的全電池甚至能夠超越鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池。
聚陰離子類的快離子導(dǎo)體以及PBA類資料的正極資料能量密度低一些，但卻能夠完成極高的功率密度，適用于高功率輸出設(shè)備的需求。
美國的NovasisEnergies、隸屬于斯坦福的NatronEnergy公司則成功開宣布了以PBA為正極的的鈉離子電池。
圖7：按比能量和發(fā)布年份列出的商用非水系鈉離子電池
英國的法拉第公司(Faradion)在2015年制作了第一個電動自行車的非水系鈉離子電池組。這款電動自行車運用了軟包電池結(jié)構(gòu)的400Wh電池組。
該電池是運用鈉鎳層狀氧化物NaaNi(1-x-y-z)MnxMgyTizO2作為正極制作的?，F(xiàn)在，該公司宣稱能夠出產(chǎn)12Ah150–160Whkg-1(或270–290WhL-1)的電池，在1C倍率下循環(huán)壽數(shù)超越3000圈，而且能夠在-20和60℃之間運轉(zhuǎn)。
相同是2015年，法國電化學(xué)儲能研討網(wǎng)絡(luò)(Frenchresearchnetworkonelectrochemicalenergystorage)推出了第一個18650Na離子電池，即所謂的RS2E。
電池運用Na3V2(PO4)2F3作為正極資料，比能量為90Whkg-1。之后，運用相同的技能，法國Tiamat開宣布了能夠到達2到5kWkg-1的功率密度(相對于LIBs增加了5倍)的電池，該電池能夠在5分鐘內(nèi)充滿電。
2015年，美國夏普試驗室與J.B.Goodenough密切合作，證明普魯士白陰極(Na1.92Fe[Fe(CN)6])能夠成功規(guī)劃出產(chǎn)，并組裝得到電壓為3V的電池。
在這一背景下，NovasisEnergies最近經(jīng)過改進電池的組成和加工工藝，運用NaxMnFe(CN)6得到了容量密度為100–130Whkg-1(或150–210WhL-1)的電池。
2020年，我國的中科海鈉開宣布了根據(jù)O3相復(fù)合正極資料的10Ah袋式和18650圓柱形電池，重量能量密度到達135Whkg-1，放電速率可從1C改變到5C，容量保存率到達90%，在3C下可循環(huán)超越3000次。
此外，電池可在−30℃下以0.3C的速率放電，一起仍保存80%的室溫容量，并在高達85℃的溫度下貯存3天后，在后續(xù)循環(huán)中可完全恢復(fù)容量。
來自斯坦福大學(xué)的NatronEnergy是一家新建立的公司，它運用PBA作為正極和負極，并用水系電解質(zhì)開發(fā)了一種電池。
與有機電池相比，這種電池的能量密度盡管更低，但卻具有高達775Wkg-1(或1550WL-1)的功率密度。電池能夠在12C下運轉(zhuǎn)25000圈，容量堅持率達70%。
在功能方面，室溫非水系NIB現(xiàn)已具替代部分鋰離子電池的才能(圖7)。此外，考慮到它們?nèi)蕴幱谏虡I(yè)化初期，而且大多數(shù)研討作業(yè)都會集在電極活性資料上，電解質(zhì)、粘合劑、集電器和其他電池組件的進一步改進還將使鈉離子電池得到進一步開展。
在未來，鈉-空氣或鈉-氧(Na–O2)和室溫鈉-硫(Na–S)電池都是很有出路的高能量密度存儲技能，能夠滿足靜態(tài)儲能的要求。
圖8：二次電池的理論和實際能量密度，包含NIB鈉離子電池、LIB鋰離子電池、HT-Na–S高溫鈉硫電池、RT-Na–S室溫鈉硫電池、Li-S鋰硫電池、Na–O2鈉氧電池和Li-O2鋰氧電池。
RT-Na-S和Na-O2的理論值分別根據(jù)Na2S和Na2O2的放電產(chǎn)物。綠色字體的電池體系現(xiàn)已商業(yè)化，灰色字體的電池體系現(xiàn)已在研討界得到廣泛的研討，赤色字體的電池體系則需求進一步開發(fā)。
鈉離子電池的能量密度能夠做到150Wh/kg上下，與磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池比較接近，循環(huán)壽數(shù)能夠做到3000~6000次，與磷酸鐵鋰相當(dāng)，優(yōu)于錳酸鋰和三元鋰，熱穩(wěn)定性和安全性與磷酸鐵鋰基本相當(dāng)。
電池本錢剖析，鈉離子電池的BOM本錢約為0.25元/Wh，而磷酸鐵鋰的BOM本錢已超越0.35元/Wh，理論上鈉離子電池資料本錢比磷酸鐵鋰電池低30%以上。
但現(xiàn)階段鈉離子電池體系因為制備工藝不老練、出產(chǎn)設(shè)備有待改進，導(dǎo)致出產(chǎn)功率較低，產(chǎn)品一致性差，出產(chǎn)良率不高，出產(chǎn)本錢顯著高于鋰離子電池，一定程度上抵消了資料本錢優(yōu)勢。
跟著工業(yè)鏈逐步完善，以及制程工藝的完善、出產(chǎn)設(shè)備的改良，鈉離子電池的本錢優(yōu)勢將會逐步凸顯出來。
總結(jié)來說，鈉離子電池具有較為顯著的本錢優(yōu)勢(大規(guī)劃工業(yè)化之后)，在循環(huán)壽數(shù)、安全性方面與磷酸鐵鋰相當(dāng)，在倍率功能、高低溫功能方面都不弱于各品種型的鋰離子電池。
因而比較合適對能量密度要求不高，可是對本錢比較靈敏，或許對循環(huán)壽數(shù)要求比較高的運用場景，比方輕型電動車、中低續(xù)航的新能源汽車(300公里續(xù)航以下)、備用電源、基站電源、電力儲能、工程機械、工業(yè)車輛等。
現(xiàn)在鈉離子電池依然處于工業(yè)化的早期階段，在未來相當(dāng)長時刻內(nèi)，都不或許取代鋰離子電池，兩者更多的是互補關(guān)系，各自滿足不同細分商場的運用需求。
一起，在工業(yè)鏈的完善、產(chǎn)品系列的豐厚、功能的老練、標(biāo)準(zhǔn)的擬定、商場的認可等方面，鈉離子電池依然有很長的路要走，沒有十年時刻，很難構(gòu)成一個巨大的工業(yè)。能源學(xué)人、輕型電動車
標(biāo)簽：
鈉離子電池
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早前在一月份，我國工程院院士陳立泉在一論壇上則表明：“全世界的電能都用鋰離子電池貯存，根本不行，鈉離子電池是新電池的首選，為什么介紹鈉離子電池呢?因為鋰離子電池現(xiàn)在全世界都在做，如果說全世界的車都用鋰離子電池來開，全世界的電能都用鋰離子電池貯存，根本不行，所以咱們一定要考慮新的電池，鈉離子電池是首選。”
什么是鈉離子電池?鈉離子電池經(jīng)歷了怎樣的開展進程?其商業(yè)化現(xiàn)已到達何種水平?本文回答這3個問題。
在曩昔十年中，儲能領(lǐng)域現(xiàn)已逐步進入后鋰電年代，其標(biāo)志就是鈉離子電池的復(fù)興。早在2010年前后，鋰離子電池正深刻改變社會生活之際，科研界就現(xiàn)已注意到鋰資源的匱乏以及全球分布嚴(yán)峻不均的問題。
因而，鈉離子電池技能又逐步回到了科研界的視野，而且憑借著在研討鋰離子電池技能上積累的經(jīng)歷得到了快速的開展。僅僅五年以后，即2015年，第一代鈉離子電池就現(xiàn)已邁入了商業(yè)化的進程。
圖1：與鈉離子電池技能相關(guān)的學(xué)術(shù)論文發(fā)表數(shù)量及專利數(shù)量(數(shù)據(jù)統(tǒng)計截止至2020年5月)
針對鈉離子電池的研討能夠追溯到20世紀(jì)70年代，近10年來鈉離子電池的相關(guān)研討更是迎來了井噴式增長。2011年，全球首家專注鈉離子電池工程化的英國FARADION公司率先建立，之后在全世界規(guī)劃內(nèi)鈉離子電池公司雨后春筍般踐約而至。
現(xiàn)在國內(nèi)外有近二十家企業(yè)對鈉離子電池進行工業(yè)化相關(guān)布局，首要包含英國FARADION公司、美國NatronEnergy公司、美國AquionEnergy公司、法國NAIADES計劃集體、日本岸田化學(xué)、松下、三菱以及我國的中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電等公司。其間歐洲因其鋰、鈷等重要鋰電上游資源缺少，相對重視鈉離子電池的開展。
鈉離子電池的作業(yè)原理及結(jié)構(gòu)與鋰離子電池十分相似。因而，開展鈉離子電池技能的要害相同在于找到適宜的正、負極資料以及電解液。
要害技能開展情況
1、負極側(cè)
現(xiàn)在科研界開宣布了金屬氧化物(例如Na(Fe,Ti)O4、TiO2、Na2Ti3O7等)、有機資料、根據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反響的資料(例如Sb基、P基等)、碳基資料等四大類。圖2給出了一些代表性負極資料的能量密度-比容量圖。
圖2：NIB中運用的各種負極資料的能量密度與比容量規(guī)劃，包含硬碳(橙色)、錫基(赤色)和銻基(深綠色)合金以及磷基化合物(淺綠色)
金屬氧化物具有安定的無機骨架結(jié)構(gòu)往往展現(xiàn)出超長的循環(huán)壽數(shù)，但因其具有相對較高的分子質(zhì)量，所以比容量一般都偏低，難以滿足商業(yè)化的需求。
有機負極資料最大的特點就是本錢低且結(jié)構(gòu)多樣，可是依然存在許多問題，包含：較低的首圈庫倫功率、循環(huán)進程中的極化問題、低電子電導(dǎo)、有機分子在電解質(zhì)中的溶解問題等等。
總的來說，有機鈉離子電池的開展具有很大潛力，但現(xiàn)在對這類資料的研討依然處在起步階段。
根據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反響的負極資料存在的最大問題便是脫嵌鈉進程中巨大的體積改變導(dǎo)致活性物質(zhì)的粉化，致使容量敏捷衰減。
碳基負極資料首要是指無定形碳(包含硬碳和軟碳)現(xiàn)在首要的作業(yè)會集于按捺循環(huán)進程中的容量衰減以及提高首圈庫倫功率。軟碳以及復(fù)原石墨烯氧化物的比容量能夠做到很高，可是相應(yīng)的作業(yè)電壓也高。
因而對這些資料的研討重點除了提高首圈庫倫功率，還需求進一步下降作業(yè)電壓。從圖3中能夠看出，硬碳(HC)通常作業(yè)電位較低且具有比較高的容量，也因而，現(xiàn)在商業(yè)化的鈉離子電池產(chǎn)品所運用的負極簡直都是硬碳。
圖3：不同碳基資料的比容量和平均氧化電位。
2、正極側(cè)
因為鈉和過渡金屬離子之間較大的半徑差異，有許多功能性的結(jié)構(gòu)都能夠完成鈉離子的可逆脫嵌。首要的正極資料包含：層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍類似物(PBA)、根據(jù)轉(zhuǎn)化反響的資料以及有機資料。
在上述資料類型中，層狀過渡金屬氧化物(NaxTMO2)、聚陰離子化合物、普魯士藍類似物(PBA，Na2M[Fe(CN)6]，其間M=Fe,Co,Mn,Ni,Cu,等等)是現(xiàn)在最具開展遠景三類資料。
層狀過渡金屬氧化物資料能夠完成極佳的電化學(xué)功能(較高的比容量、作業(yè)電壓以及大于1000圈的循環(huán)壽數(shù))，其過渡金屬元素往往包含地殼中含量豐厚的元素，而且組成進程簡單，能夠滿足規(guī)劃化出產(chǎn)的要求。
聚陰離子資料作業(yè)電壓高(對鈉電壓可高達4V)，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，缺陷是離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)率較低，而且較大的分子質(zhì)量也拉低了比容量。
其間兩種快離子導(dǎo)體資料Na3V2(PO4)3和Na3V2O2x(PO4)2F3-2x因具有相當(dāng)好的倍率功能和循環(huán)壽數(shù)在眾多聚陰離子資猜中脫穎而出。可是這些資猜中的變價元素V具有一定毒性。
普魯士藍類似物具有開放式的骨架結(jié)構(gòu)和很強的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，骨架內(nèi)具有很多的氧化復(fù)原位點。
現(xiàn)在這類資料能夠完成很高的能量密度(大約500–600Whkg-1)，而且能夠經(jīng)過較低的溫度組成?？墒沁@種資料因為導(dǎo)電性不好需求參加很多碳，這下降了體積比容量。
因為這種物質(zhì)一般都是在水介質(zhì)中組成的，其結(jié)構(gòu)中總會包含一些配位水或許空隙水，這不利于其在非水系體系的運用，但卻有利于完成在水系體系中出色的循環(huán)穩(wěn)定性。別的，因為氰酸根的存在這種資料還有潛在的毒性。
根據(jù)轉(zhuǎn)化反響的正極資料具有很高的理論容量，可是這種資料也具有根據(jù)轉(zhuǎn)化反響和合金化反響的通病——過大的體積改變。
別的這類資料還具有較大的過電勢以及較慢的Na離子傳導(dǎo)速度。對于這類資料的開發(fā)仍處于開始階段。
有機正極資料不含過渡金屬元素，本錢更低而且具有更小的分子量，別的還具有結(jié)構(gòu)多樣性、安全性，機械柔性等。
羰基化合物(PTCDA和硫氰酸二鈉)是近年來被研討最廣泛的一類有機正極資料，其首要的缺陷是會溶于有機電解液導(dǎo)致容量敏捷衰減，其較低的電導(dǎo)率也導(dǎo)致倍率功能不佳?，F(xiàn)在此類資料的開展也出于開始階段。
圖4：鈉離子電池體系中最具代表性的負極資料總覽。
總的來說(如圖4)，層狀氧化物在三種最有遠景的資猜中展現(xiàn)了最高的理論容量。聚陰離子具有較低的理論比容量可是它們的試驗比容量十分接近理論容量。
不同品種PBA的理論比容量相差較大，而且因為存在意料之外的儲鈉位點有時展現(xiàn)出比理論容量更高的容量。三品種型的資料的試驗比容量大概都在100-200mAh/g之間，這對于制作商業(yè)化的電池來說足夠了。
3、電解液
現(xiàn)在開宣布的鈉離子電池的電解質(zhì)與鋰離子電池相同豐厚，包含水系、有機系、固態(tài)三大類。它們在不同溫度下的離子電導(dǎo)率如圖5所示。
圖5：代表性鈉基電解質(zhì)的溫度-離子導(dǎo)電性概覽。
水系電解質(zhì)本錢低、安全性高、環(huán)境友好，可是因為水的分化電壓限制，其作業(yè)窗口太窄，一起還得考慮與電極的適配問題，例如會不會發(fā)生腐蝕?如果是嵌入型電極資料，氫離子會不會嵌入進去?
非水系液態(tài)電解質(zhì)依然是開展最老練的體系?，F(xiàn)在最常見的溶劑是EC:PC、EC:DEC也有部分電解液運用PC作單一溶劑。
NaClO4則是現(xiàn)在運用最多的鈉鹽，它具有杰出的電化學(xué)行為，本錢低，可是缺陷是有爆炸的危險。FEC是最常用的添加劑，有利于在負極構(gòu)成薄且穩(wěn)定的SEI。
離子液體電解液通常在60-80℃展現(xiàn)最佳的功能。在室溫下，其離子電導(dǎo)率太低，粘度又太高。離子液體中研討最多的有機分子是咪唑和吡咯烷。
對于這種電解液，鈉鹽的濃度是一個要害性因素，較高的鈉鹽濃度具有更好的穩(wěn)定性，而且能飽嘗住更大的電流，但相應(yīng)本錢也會上升。
離子液體電解質(zhì)能夠被視為是下一代鈉離子電解質(zhì)，可是其本錢還需進一步下降，作業(yè)溫度也需求進一步優(yōu)化。
固態(tài)聚合物電解質(zhì)含有鈉鹽和彈性聚合物基體，具有杰出的通用性、靈活性和熱力學(xué)穩(wěn)定性，但在室溫下的離子電導(dǎo)率很差。
經(jīng)過調(diào)理電解質(zhì)鹽(NaPF6、NaTFI、NaFSI…)和聚合物基體，能夠提高這些體系的離子電導(dǎo)率。聚環(huán)氧乙烷(PEO)是最常見的能溶解多種鈉鹽的聚合物。
復(fù)合固態(tài)聚合物電解質(zhì)由無機填料(SiO2,Al2O3,TiO2…)和固態(tài)聚合物電解質(zhì)組成，因為結(jié)晶度和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)的下降以及無機填料表面基團與聚合物鏈和鹽的相互作用，提高了離子導(dǎo)電性。
無機固態(tài)電解質(zhì)包含陶瓷體系，因而比較硬，比方氧化物、磷酸鹽、亞硫酸鹽或氫化物等。其間β″-Al2O3和快離子導(dǎo)體Na3Zr2Si2PO12是至今為止運用的最多的固態(tài)陶瓷電解質(zhì)。
無機固態(tài)電解質(zhì)一般只合適高溫或中高溫狀態(tài)下運用，例如Na-S電池。其最大的問題在于高硬度帶來的界面觸摸問題。對此，科研界提出了用NASICON電解質(zhì)加少數(shù)離子液體組合的方法來緩解界面問題。
玻璃資料的運用是另一種前進方向，因為它們易于成型或構(gòu)成薄膜，它們能夠提供與電極的杰出觸摸。在這方面，硫化物化學(xué)是最有出路的化學(xué)之一。在LIBs玻璃狀硫化物方面積累的經(jīng)歷激發(fā)了人們對Na10GeP2S12、Na10SnP2S12或Na3PS4等硫化物的愛好。
準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)即指運用液體成分作為增塑聚合物電解質(zhì)(PPE)以及凝膠聚合物電解質(zhì)，其間液體增塑劑的含量在50%左右。
圖6：總結(jié)了上文介紹的固體和準(zhǔn)固體電解質(zhì)的首要優(yōu)缺陷。
總歸，水系和非水系液態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率值最高，盡管前者的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口較低，后者存在與SEI穩(wěn)定性和可燃性相關(guān)的問題，但這些缺陷能夠經(jīng)過規(guī)劃功能性固體電解質(zhì)來克服。
商業(yè)化情況
現(xiàn)在商業(yè)化鈉離子電池運用的負極資料都是硬碳。而三類首要正極資料都現(xiàn)已有完成商業(yè)化出產(chǎn)的例子。
英國的Faradion公司、我國的中科海鈉公司都開宣布了具有較高比容量的層狀氧化物正極資料，由其構(gòu)成的全電池甚至能夠超越鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池。
聚陰離子類的快離子導(dǎo)體以及PBA類資料的正極資料能量密度低一些，但卻能夠完成極高的功率密度，適用于高功率輸出設(shè)備的需求。
美國的NovasisEnergies、隸屬于斯坦福的NatronEnergy公司則成功開宣布了以PBA為正極的的鈉離子電池。
圖7：按比能量和發(fā)布年份列出的商用非水系鈉離子電池
英國的法拉第公司(Faradion)在2015年制作了第一個電動自行車的非水系鈉離子電池組。這款電動自行車運用了軟包電池結(jié)構(gòu)的400Wh電池組。
該電池是運用鈉鎳層狀氧化物NaaNi(1-x-y-z)MnxMgyTizO2作為正極制作的?，F(xiàn)在，該公司宣稱能夠出產(chǎn)12Ah150–160Whkg-1(或270–290WhL-1)的電池，在1C倍率下循環(huán)壽數(shù)超越3000圈，而且能夠在-20和60℃之間運轉(zhuǎn)。
相同是2015年，法國電化學(xué)儲能研討網(wǎng)絡(luò)(Frenchresearchnetworkonelectrochemicalenergystorage)推出了第一個18650Na離子電池，即所謂的RS2E。
電池運用Na3V2(PO4)2F3作為正極資料，比能量為90Whkg-1。之后，運用相同的技能，法國Tiamat開宣布了能夠到達2到5kWkg-1的功率密度(相對于LIBs增加了5倍)的電池，該電池能夠在5分鐘內(nèi)充滿電。
2015年，美國夏普試驗室與J.B.Goodenough密切合作，證明普魯士白陰極(Na1.92Fe[Fe(CN)6])能夠成功規(guī)劃出產(chǎn)，并組裝得到電壓為3V的電池。
在這一背景下，NovasisEnergies最近經(jīng)過改進電池的組成和加工工藝，運用NaxMnFe(CN)6得到了容量密度為100–130Whkg-1(或150–210WhL-1)的電池。
2020年，我國的中科海鈉開宣布了根據(jù)O3相復(fù)合正極資料的10Ah袋式和18650圓柱形電池，重量能量密度到達135Whkg-1，放電速率可從1C改變到5C，容量保存率到達90%，在3C下可循環(huán)超越3000次。
此外，電池可在−30℃下以0.3C的速率放電，一起仍保存80%的室溫容量，并在高達85℃的溫度下貯存3天后，在后續(xù)循環(huán)中可完全恢復(fù)容量。
來自斯坦福大學(xué)的NatronEnergy是一家新建立的公司，它運用PBA作為正極和負極，并用水系電解質(zhì)開發(fā)了一種電池。
與有機電池相比，這種電池的能量密度盡管更低，但卻具有高達775Wkg-1(或1550WL-1)的功率密度。電池能夠在12C下運轉(zhuǎn)25000圈，容量堅持率達70%。
在功能方面，室溫非水系NIB現(xiàn)已具替代部分鋰離子電池的才能(圖7)。此外，考慮到它們?nèi)蕴幱谏虡I(yè)化初期，而且大多數(shù)研討作業(yè)都會集在電極活性資料上，電解質(zhì)、粘合劑、集電器和其他電池組件的進一步改進還將使鈉離子電池得到進一步開展。
在未來，鈉-空氣或鈉-氧(Na–O2)和室溫鈉-硫(Na–S)電池都是很有出路的高能量密度存儲技能，能夠滿足靜態(tài)儲能的要求。
圖8：二次電池的理論和實際能量密度，包含NIB鈉離子電池、LIB鋰離子電池、HT-Na–S高溫鈉硫電池、RT-Na–S室溫鈉硫電池、Li-S鋰硫電池、Na–O2鈉氧電池和Li-O2鋰氧電池。
RT-Na-S和Na-O2的理論值分別根據(jù)Na2S和Na2O2的放電產(chǎn)物。綠色字體的電池體系現(xiàn)已商業(yè)化，灰色字體的電池體系現(xiàn)已在研討界得到廣泛的研討，赤色字體的電池體系則需求進一步開發(fā)。
鈉離子電池的能量密度能夠做到150Wh/kg上下，與磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池比較接近，循環(huán)壽數(shù)能夠做到3000~6000次，與磷酸鐵鋰相當(dāng)，優(yōu)于錳酸鋰和三元鋰，熱穩(wěn)定性和安全性與磷酸鐵鋰基本相當(dāng)。
電池本錢剖析，鈉離子電池的BOM本錢約為0.25元/Wh，而磷酸鐵鋰的BOM本錢已超越0.35元/Wh，理論上鈉離子電池資料本錢比磷酸鐵鋰電池低30%以上。
但現(xiàn)階段鈉離子電池體系因為制備工藝不老練、出產(chǎn)設(shè)備有待改進，導(dǎo)致出產(chǎn)功率較低，產(chǎn)品一致性差，出產(chǎn)良率不高，出產(chǎn)本錢顯著高于鋰離子電池，一定程度上抵消了資料本錢優(yōu)勢。
跟著工業(yè)鏈逐步完善，以及制程工藝的完善、出產(chǎn)設(shè)備的改良，鈉離子電池的本錢優(yōu)勢將會逐步凸顯出來。
總結(jié)來說，鈉離子電池具有較為顯著的本錢優(yōu)勢(大規(guī)劃工業(yè)化之后)，在循環(huán)壽數(shù)、安全性方面與磷酸鐵鋰相當(dāng)，在倍率功能、高低溫功能方面都不弱于各品種型的鋰離子電池。
因而比較合適對能量密度要求不高，可是對本錢比較靈敏，或許對循環(huán)壽數(shù)要求比較高的運用場景，比方輕型電動車、中低續(xù)航的新能源汽車(300公里續(xù)航以下)、備用電源、基站電源、電力儲能、工程機械、工業(yè)車輛等。
現(xiàn)在鈉離子電池依然處于工業(yè)化的早期階段，在未來相當(dāng)長時刻內(nèi)，都不或許取代鋰離子電池，兩者更多的是互補關(guān)系，各自滿足不同細分商場的運用需求。
一起，在工業(yè)鏈的完善、產(chǎn)品系列的豐厚、功能的老練、標(biāo)準(zhǔn)的擬定、商場的認可等方面，鈉離子電池依然有很長的路要走，沒有十年時刻，很難構(gòu)成一個巨大的工業(yè)。能源學(xué)人、輕型電動車
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鈉離子電池
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