钠离子电池

       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。

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。

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。

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年起致力于安全环保、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4500周 [8]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和全球首座1MWh钠离子电池光储充智能微网系统 [9]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日消息，宁德时代正式推出钠离子电池。宁德时代称，总体来看，第一代钠离子电池的能量密度略低于目前的磷酸铁锂电池，但在低温性能和快充方面，具有明显的优势，特别是在高寒地区高功率应用场景。 

       2020年11月，中科院物理所胡勇胜研究员与中外团队合作的钠离子电池论文《Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries》在世界学术刊物《Science》上发表，该研究提出了一种简单的预测钠离子层状氧化物构型的方法，并在实验上证实了该方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计和制备提供了理论指导。该研究成果入选2020年度中国科学十大进展30项候选成果。 

       2020年12月，胡勇胜团队汇集近十年在钠离子电池基础研究和工程化探索中取得的研究进展，结合国内外专家学者近四十年在钠离子电池技术领域取得的杰出成果，组织撰写了《钠离子电池科学与技术》，系统总结了钠离子电池的研究现状，集中探讨钠离子电池的关键问题。

       2022年4月19日，湖南立方新能源科技有限责任公司举行第一代钠离子电池发布会。第一代钠离子电池15分钟充电80%以上，有望在储能型新一代电池发展中占据先机。立方第一代钠离子电池采用自主合成层状氧化物正极和商用高首效硬碳负极，具有高充放电倍率、高安全可靠以及优异的低温性能。

       2022年11月29日上午，全球首条吉瓦时（GWh）级钠离子电池生产线产品下线仪式在安徽省阜阳市举行。

纳电池和锂电池比较

       钠离子电池与锂离子电池相比较，各有其优势和不足，以下是对两者的详细比较：

一、能量密度

       锂离子电池具有更高的能量密度。锂元素是最轻的金属元素，因此具有先天的优势。在相同体积或质量下，锂离子的能量密度比钠离子高1.8倍。

二、寿命

       锂离子电池的寿命更长。锂离子电池经过多年的发展，技术成熟，充放电循环寿命最高可达2000-3000次以上。而钠离子电池由于钠离子的原子质量和半径大于锂离子，在反应过程中嵌入和脱出的难度更大，循环寿命相对较短。

三、安全性

       钠离子电池更安全。钠离子电池具有较宽的工作温度区间，即使在高温下也不容易发生热失控。此外，由于钠离子电池的短路电流和瞬间发热量更小，因此更不容易引起火灾或自燃。

四、成本

       钠离子电池成本更低。钠离子电池的原材料资源储备丰富，价格低廉，因此在制造过程中的成本可以大幅降低。然而，目前受限于技术难题，钠离子电池的成本优势还只存在于理论上，未来随着技术的进步和规模化生产，这一优势有望转化为现实。

五、充电速度

       钠离子电池的充电速度可能更快。虽然锂离子电池和钠离子电池的充电速度都受到多种因素的影响，但钠离子电池在某些情况下可能具有更快的充电能力。例如，有研究表明，在常温下，钠离子电池充电15分钟电量可达80%以上。

六、发展前景

       钠离子电池具有更大的发展前景。锂离子电池已经遇到发展瓶颈，技术难以有较大的突破。相比之下，钠离子电池的发展刚刚开始，随着更多企业进入钠离子电池领域和技术的不断进步，未来钠离子电池的寿命短、能量密度低的问题有望得到解决。

       综上所述，钠离子电池与锂离子电池在能量密度、寿命、安全性、成本、充电速度和发展前景等方面各有优劣。具体选择哪种电池取决于应用场景、性能需求和成本考虑等多种因素。

优缺点

       钠离子电池作为一种新兴的电池技术，具有一系列独特的优点和缺点。以下是钠离子电池的优缺点概述：

优点

       1、资源丰富：钠是地球上丰度较高的元素，其储量丰富，分布广泛，价格相对低廉。这使得钠离子电池在原材料成本方面具有显著优势，有利于大规模生产和应用。

       2、安全性高：钠离子电池使用低浓度的电解液，且钠离子比锂离子更稳定，不会在电极表面形成枝晶，从而减少了短路或爆炸的风险。此外，钠离子电池在高温和低温环境下表现出较好的稳定性，进一步提升了其安全性。

       3、快速充电：钠离子电池具有较高的充电速度，这对于需要快速补能的电动车和其他应用领域来说是一个重要优势。

       4、环境适应性强：钠离子电池可以在各种气候条件下使用，不完全依赖于复杂的调控设备，使其应用范围更加广泛。

       5、成本效益：由于钠元素资源丰富且价格低廉，钠离子电池的生产成本相对较低，有助于降低终端产品的售价，提高市场竞争力。

       6、储能潜力大：钠离子电池在储能系统中的应用前景广阔，特别是在智能电网、可再生能源并网以及电网级储能等领域，能够平衡电力供需、提高电力系统的稳定性。

缺点

       1、能量密度较低：相较于锂离子电池，钠离子电池的能量密度较低。这意味着在储存相同能量时，钠离子电池的体积和重量会更大，对于便携式电子设备和新能源汽车来说是一个不利因素。

       2、循环寿命相对较短：钠离子电池的循环寿命相对较短，这主要是因为充放电过程中钠离子在正负极材料中的嵌入和解嵌会导致材料的体积变化，从而引发结构破坏和性能衰退。

       3、技术成熟度不足：钠离子电池作为一种新型电池技术，其相关技术仍处于较为早期的阶段。目前市场上钠离子电池的产品种类相对较少，性能也有待进一步提升和优化。

       4、市场认可度有待提高：由于钠离子电池的技术成熟度和市场应用经验相对较少，部分用户对其性能和可靠性持观望态度。因此，提高市场认可度是钠离子电池未来发展的重要方向之一。

       综上所述，钠离子电池在资源丰富、安全性高、快速充电等方面具有显著优势，但也存在能量密度低、循环寿命短、技术成熟度不足等缺点。随着技术的不断进步和市场的不断开拓，钠离子电池有望在未来发挥更加重要的作用。