钠离子电池的技术现状与应用及发展趋势研究

吴黄祈 诸思琛

摘  要：由于锂离子电池储能具有突出的绿色环保优势，因而在新能源、电子市场等领域中得到了较好的应用。但是，随着锂离子电池需求的逐渐增大，锂资源短缺以及成本等问题的出现影响了锂离子电池的发展。在此背景下，因钠离子和锂离子之间的物化性质较为相似，同时钠资源丰富，各方成本较低，已经成为替代锂离子电池的新储能材料。

关键词：发展现状;钠离子电池;应用前景;优点

當前我国应用的能源最主要的就是化石燃料，但是由于化石燃料具有不可再生性特点，并且会给环境带来较大的污染，因此，国家开始重视绿色环保能源的开发。新兴的电化学储能技术已经成为研究的热点，由于钠离子和锂离子之间的物化性质较为相似，是替代锂离子电池的一种新型储能体系，具有良好的应用前景。

1.钠离子电池的优点

钠离子资源较为丰富、成本较低、具有较高的安全性和能量转换率、使用寿命长，在新能源电池领域中，可以满足安全性和性价比方面较高的要求[1]。从元素周期表来看，钠元素是紧跟锂元素排列的碱金属元素，在物化性质方面，两者存在一定的差异，因而相应的电极材料在电化学性能上也会存在一定的不同。由于钠离子的半径和质量分数相比锂离子较大，所以在质量和体积能量密度方面较锂离子电池会存在差距，而且因为钠离子半径较大，会使电极材料在界面性质、体相结构演变以及离子运输等方面出现差异，要想使钠离子电池更好的展现自身优势，对于钠离子电池的材料体系需要加强研究。

2.钠离子电池的发展现状

从世界范围来看，目前，有关钠离子电池的技术研究突破主要体现在电解质材料、电极材料、储钠机制、表征分析以及电芯技术等方面，针对钠离子电池有关的专利发明以及文章发表数量逐渐增加。在2020年，美国的能源部公布了电池研究计划布局，主要是研究动力电池和储能电池，并且将钠离子电池明确列入到储能电池的发展体系中。在欧盟的“电池2030”储能计划项目中，将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。现阶段，国内外已经有多家公司开始进行钠离子电池的产业化开发，其中有美国Natron Energy、英国Faradion等公司，还有我国的钠创新能源、中科海钠、星空钠电等公司，都获得了重要成果[2]。

钠离子电池技术研发以及产业化发展开始最早的是英国的Faradion公司，其正极材料为镍、锰、钛基O3/P2型层状氧化物，负极材料为硬碳。研究出了10A·h的软包电池样品，电池工作电压平均3.2V，能量密度为140W·h/kg，放电程度在80%时，电池循环使用寿命预计1000次以上。美国Natron Energy公司通过使用普鲁士蓝作为正极材料开发了高倍率水系钠离子电池，在2C倍率下，循环使用寿命可以达到10000次，不过由于正极材料具有较低的压实密度，工艺也较为复杂，体积能量密度只有50W·h/L[3]。

我国在钠离子电池技术的研究中也处于世界的前列，从核心技术角度来讲，我国在钠离子电池的产业化发展中做好了技术储备准备。钠创新能源公司制备了钠离子软包电芯，其中，正极材料为NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元层状氧化物，负极材料为硬碳，能量密度范围在100-120W·h/kg，循环使用1000次之后，还能保持92%以上的容量。中科海钠公司研制出了能量密度超过135W·h/kg的钠离子电池，工作电压平均为3.2V，在放电深度100%的情况下，循环使用1000次之后还能保持91%的容量。正负极材料的制备和供货也已经达到百吨级。宁德时代公司在2020年成立21C创新实验室，推出其第一代钠离子电池，其中，正负极材料分别为普鲁士白和硬碳，能量密度高达160W·h/kg，在-20°C的低温环境中，放电保持率仍然在90%以上。在系统方面，公司制定出了锂钠混搭方案，开发了AB电池系统，通过钠离子电池与锂离子电池一定比例的混搭，集成到同一个电池系统中。这种技术研发可以有效解决钠离子电池在能量密度方面的劣势，同时还能够凸显功率、性能方面的优势。

3.钠离子电池应用发展趋势

由于钠离子电池展现了替代锂离子电池的可能性，因此，关于钠离子电池的技术研究受到国内外的广泛关注。在成本、安全性等方面钠离子电池都具有优势，同时在较低温度环境下也能保持较高的容量，由于产业化发展速度的加快，在未来新能源领域以及电动车市场中，钠离子电池具有较好的应用前景。

在国家大力发展可再生能源的过程中，电网侧和发电侧对储能的需求逐渐提升，预计到2022年、2023年，风机容量会达到96GW、106GW，而相应的储能需求会达到12.25GW·h、25.79GW·h。英国Faradion公司在2020年已经向澳大利亚ICM公司提供了钠离子电池产品，用于进行储能。这就说明，钠离子电池由于储能和成本等多方面的优势，在未来的储能市场中会占有较高的地位。

根据研究发现，在储能、电动两轮车以及AOO级别汽车领域中，钠离子电池具有良好的应用前景。根据预测，到2025年，上述领域中我国电池需求会达到123GW·h;在储能方面，2020年国内储能装机需求已经达到17GW·h，预计到2025年将达到48GW·h;在电动两轮车方面，2020年国内两轮车电池需求约32GW·h，预计到2025年将达到41GW·h;在A00级别汽车方面，2020年国内A00汽车动力电池需求约7GW·h，预计到2025年将达到34GW·h[4]。钠离子电池的研究属于一种新型的技术路线，其产业链包含上游的资源企业、中游的电芯和电池材料企业，产业化布局中有钠离子电池技术公司，还有投资或者持股的钠离子电池企业，电池材料技术公司包含负极材料和正极材料企业。

从现阶段来看，钠离子电池的成本在未来还需要进一步降低，这样才能保持其得到商业化和规模化应用。另外，由于能量密度会对钠离子电池的材料特性产生较大的影响，电动车要想实现长续航能力需要，未来在动力电池领域，就需要和锂离子电池进行合理搭配应用。

结束语：

总而言之，由于钠离子电池在成本、环境保护等方面具有优势，而且资源丰富，可以替代锂离子电池成为新型储能电池，国内外已经取得了一定的研究成果，具有良好的应用前景。

参考文献：

[1]郝峰. 锂离子电池的替代者——钠离子电池研究现状分析[J]. 化工管理， 2018， 000（028）：62-62.

[2]史文静， 燕永旺， 徐守冬，等. 钠离子电池正极材料Na0.44MnO2的研究进展[J]. 化工进展， 2017， 036（009）：3343-3352.

姓名：吴黄祈，性别：男，民族： 汉族，籍贯：浙江宁波，出生年月：1997年2月27日，学历：大学本科，工作单位：浙江汽车职业技术学院，职称：助教。主要研究方向或者从事工作：主要从事汽车检测与维修、新能源汽车技术、汽车智能技术等相关领域的教学和科研工作，邮编：317000