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下載手機APP 5月21日，寧德時代(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儲存，根柢不可，鈉離子電池是新電池的首選，為什么介紹鈉離子電池呢?由于鋰離子電池現(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儲存，根柢不可，所以我們必定要考慮新的電池，鈉離子電池是首選。”
什么是鈉離子電池?鈉離子電池經(jīng)歷了怎樣的展開進程?其商業(yè)化現(xiàn)已抵達何種水平?本文答復(fù)這3個問題。
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在過去十年中，儲能領(lǐng)域現(xiàn)已逐步進入后鋰電時代，其標(biāo)志就是鈉離子電池的復(fù)興。早在2010年前后，鋰離子電池正深入改動社會生活之際，科研界就現(xiàn)已注意到鋰資源的匱乏以及全球散布嚴(yán)峻不均的問題。
因此，鈉離子電池技術(shù)又逐步回到了科研界的視野，并且憑借著在研討鋰離子電池技術(shù)上堆集的經(jīng)歷得到了快速的展開。只是五年以后，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：與鈉離子電池技術(shù)相關(guān)的學(xué)術(shù)論文宣布數(shù)量及專利數(shù)量(數(shù)據(jù)計算截止至2020年5月)
針對鈉離子電池的研討可以追溯到20世紀(jì)70時代，近10年來鈉離子電池的相關(guān)研討更是迎來了井噴式增加。2011年，全球首家專心鈉離子電池工程化的英國FARADION公司率先樹立，之后在全世界范圍內(nèi)鈉離子電池公司漫山遍野般失約而至。
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，首要包括英國FARADION公司、美國NatronEnergy公司、美國AquionEnergy公司、法國NAIADES計劃團體、日本岸田化學(xué)、松下、三菱以及我國的中科海鈉、鈉立異動力、星空鈉電等公司。其間歐洲因其鋰、鈷等重要鋰電上游資源短少，相對重視鈉離子電池的展開。
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。因此，展開鈉離子電池技術(shù)的要害相同在于找到適宜的正、負(fù)極材料以及電解液。
要害技術(shù)展開情況
1、負(fù)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)、有機材料、依據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反應(yīng)的材料(例如Sb基、P基等)、碳基材料等四大類。圖2給出了一些代表性負(fù)極材料的能量密度-比容量圖。
圖2：NIB中運用的各種負(fù)極材料的能量密度與比容量范圍，包括硬碳(橙色)、錫基(赤色)和銻基(深綠色)合金以及磷基化合物(淺綠色)
金屬氧化物具有穩(wěn)固的無機骨架結(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(fù)極材料最大的特色就是本錢低且結(jié)構(gòu)多樣，但是仍然存在許多問題，包括：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，有機鈉離子電池的展開具有很大潛力，但現(xiàn)在對這類材料的研討仍然處在起步階段。
依據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反應(yīng)的負(fù)極材料存在的最大問題便是脫嵌鈉進程中巨大的體積改動導(dǎo)致活性物質(zhì)的粉化，致使容量迅速衰減。
碳基負(fù)極材料首要是指無定形碳(包括硬碳和軟碳)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進步首圈庫倫功率。軟碳以及恢復(fù)石墨烯氧化物的比容量可以做到很高，但是相應(yīng)的作業(yè)電壓也高。
因此對這些材料的研討關(guān)鍵除了進步首圈庫倫功率，還需求進一步下降作業(yè)電壓。從圖3中可以看出，硬碳(HC)一般作業(yè)電位較低且具有比較高的容量，也因此，現(xiàn)在商業(yè)化的鈉離子電池產(chǎn)品所運用的負(fù)極簡直都是硬碳。
圖3：不同碳基材料的比容量和平均氧化電位。
2、正極側(cè)
由于鈉和過渡金屬離子之間較大的半徑差異，有許多功用性的結(jié)構(gòu)都可以完結(jié)鈉離子的可逆脫嵌。首要的正極材料包括：層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍類似物(PBA)、依據(jù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的材料以及有機材料。
在上述材料類型中，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)在最具展開前景三類材料。
層狀過渡金屬氧化物材料可以完結(jié)極佳的電化學(xué)功用(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括地殼中含量豐盛的元素，并且組成進程簡略，可以滿足規(guī)劃化出產(chǎn)的要求。
聚陰離子材料作業(yè)電壓高(對鈉電壓可高達4V)，并且結(jié)構(gòu)安穩(wěn)，缺點是離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)率較低，并且較大的分子質(zhì)量也拉低了比容量。
其間兩種快離子導(dǎo)體材料Na3V2(PO4)3和Na3V2O2x(PO4)2F3-2x因具有適當(dāng)好的倍率功用和循環(huán)壽數(shù)在許多聚陰離子資猜中鋒芒畢露。但是這些資猜中的變價元素V具有必定毒性。
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)安穩(wěn)性，骨架內(nèi)具有許多的氧化恢復(fù)位點。
現(xiàn)在這類材料可以完結(jié)很高的能量密度(大約500–600Whkg-1)，并且可以通過較低的溫度組成。但是這種材料由于導(dǎo)電性不好需求加入許多碳，這下降了體積比容量。
由于這種物質(zhì)一般都是在水介質(zhì)中組成的，其結(jié)構(gòu)中總會包括一些配位水或許間隙水，這不利于其在非水系系統(tǒng)的運用，但卻有利于完結(jié)在水系系統(tǒng)中超卓的循環(huán)安穩(wěn)性。別的，由于氰酸根的存在這種材料還有潛在的毒性。
依據(jù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的正極材料具有很高的理論容量，但是這種材料也具有依據(jù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)和合金化反應(yīng)的通病——過大的體積改動。
別的這類材料還具有較大的過電勢以及較慢的Na離子傳導(dǎo)速度。關(guān)于這類材料的開發(fā)仍處于開始階段。
有機正極材料不含過渡金屬元素，本錢更低并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材料，其首要的缺點是會溶于有機電解液導(dǎo)致容量迅速衰減，其較低的電導(dǎo)率也導(dǎo)致倍率功用不佳?，F(xiàn)在此類材料的展開也出于開始階段。
圖4：鈉離子電池系統(tǒng)中最具代表性的負(fù)極材料總覽。
總的來說(如圖4)，層狀氧化物在三種最有前景的資猜中展現(xiàn)了最高的理論容量。聚陰離子具有較低的理論比容量但是它們的實驗比容量十分挨近理論容量。
不同品種PBA的理論比容量相差較大，并且由于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。三品種型的材料的實驗比容量大約都在100-200mAh/g之間，這關(guān)于制造商業(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盛，包括水系、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，但是由于水的分解電壓約束，其作業(yè)窗口太窄，一同還得考慮與電極的適配問題，例如會不會發(fā)生腐蝕?如果是嵌入型電極材料，氫離子會不會嵌入進去?
非水系液態(tài)電解質(zhì)仍然是展開最老練的系統(tǒng)。現(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，它具有出色的電化學(xué)行為，本錢低，但是缺點是有爆破的風(fēng)險。FEC是最常用的添加劑，有利于在負(fù)極構(gòu)成薄且安穩(wěn)的SEI。
離子液體電解液一般在60-80℃展現(xiàn)最佳的功用。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。
關(guān)于這種電解液，鈉鹽的濃度是一個要害性要素，較高的鈉鹽濃度具有更好的安穩(wěn)性，并且能飽受住更大的電流，但相應(yīng)本錢也會上升。
離子液體電解質(zhì)可以被視為是下一代鈉離子電解質(zhì)，但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，具有出色的通用性、靈活性和熱力學(xué)安穩(wěn)性，但在室溫下的離子電導(dǎo)率很差。
通過調(diào)理電解質(zhì)鹽(NaPF6、NaTFI、NaFSI…)和聚合物基體，可以進步這些系統(tǒng)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，由于結(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，進步了離子導(dǎo)電性。
無機固態(tài)電解質(zhì)包括陶瓷系統(tǒng)，因此比較硬，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是至今停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)一般只適宜高溫或中高溫狀態(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接觸問題。對此，科研界提出了用NASICON電解質(zhì)加少量離子液體組合的方式來緩解界面問題。
玻璃材料的運用是另一種前進方向，由于它們易于成型或構(gòu)成薄膜，它們可以供給與電極的出色接觸。在這方面，硫化物化學(xué)是最有出路的化學(xué)之一。在LIBs玻璃狀硫化物方面堆集的經(jīng)歷激發(fā)了人們對Na10GeP2S12、Na10SnP2S12或Na3PS4等硫化物的興趣。
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)缺點。
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)安穩(wěn)性窗口較低，后者存在與SEI安穩(wěn)性和可燃性相關(guān)的問題，但這些缺點可以通過設(shè)計功用性固體電解質(zhì)來戰(zhàn)勝。
商業(yè)化情況
現(xiàn)在商業(yè)化鈉離子電池運用的負(fù)極材料都是硬碳。而三類首要正極材料都現(xiàn)已有完結(jié)商業(yè)化出產(chǎn)的比方。
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材料，由其構(gòu)成的全電池甚至可以逾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類材料的正極材料能量密度低一些，但卻可以完結(jié)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年制造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作為正極制造的。現(xiàn)在，該公司聲稱可以出產(chǎn)12Ah150–160Whkg-1(或270–290WhL-1)的電池，在1C倍率下循環(huán)壽數(shù)逾越3000圈，并且可以在-20和60℃之間運行。
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作為正極材料，比能量為90Whkg-1。之后，運用相同的技術(shù)，法國Tiamat開宣布了可以抵達2到5kWkg-1的功率密度(相關(guān)于LIBs增加了5倍)的電池，該電池可以在5分鐘內(nèi)充滿電。
2015年，美國夏普實驗室與J.B.Goodenough密切合作，證明普魯士白陰極(Na1.92Fe[Fe(CN)6])可以成功規(guī)劃出產(chǎn)，并組裝得到電壓為3V的電池。
在這一布景下，NovasisEnergies最近通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依據(jù)O3相復(fù)合正極材料的10Ah袋式和18650圓柱形電池，分量能量密度抵達135Whkg-1，放電速率可從1C改動到5C，容量保存率抵達90%，在3C下可循環(huán)逾越3000次。
此外，電池可在−30℃下以0.3C的速率放電，一同仍保存80%的室溫容量，并在高達85℃的溫度下儲存3天后，在后續(xù)循環(huán)中可徹底康復(fù)容量。
來自斯坦福大學(xué)的NatronEnergy是一家新樹立的公司，它運用PBA作為正極和負(fù)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雖然更低，但卻具有高達775Wkg-1(或1550WL-1)的功率密度。電池可以在12C下運行25000圈，容量保持率達70%。
在功用方面，室溫非水系NIB現(xiàn)已具替代部分鋰離子電池的才干(圖7)。此外，考慮到它們?nèi)蕴幱谏虡I(yè)化初期，并且大多數(shù)研討作業(yè)都會集在電極活性材料上，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展開。
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術(shù)，可以滿足靜態(tài)儲能的要求。
圖8：二次電池的理論和實際能量密度，包括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的理論值別離依據(jù)Na2S和Na2O2的放電產(chǎn)品。綠色字體的電池系統(tǒng)現(xiàn)已商業(yè)化，灰色字體的電池系統(tǒng)現(xiàn)已在研討界得到廣泛的研討，赤色字體的電池系統(tǒng)則需求進一步開發(fā)。
鈉離子電池的能量密度可以做到150Wh/kg上下，與磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池比較挨近，循環(huán)壽數(shù)可以做到3000~6000次，與磷酸鐵鋰適當(dāng)，優(yōu)于錳酸鋰和三元鋰，熱安穩(wěn)性和安全性與磷酸鐵鋰基本適當(dāng)。
電池本錢分析，鈉離子電池的BOM本錢約為0.25元/Wh，而磷酸鐵鋰的BOM本錢已逾越0.35元/Wh，理論上鈉離子電池材料本錢比磷酸鐵鋰電池低30%以上。
但現(xiàn)階段鈉離子電池系統(tǒng)由于制備工藝不老練、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)本錢明顯高于鋰離子電池，必定程度上抵消了材料本錢優(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)備的改進，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明顯的本錢優(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適當(dāng)，在倍率功用、高低溫功用方面都不弱于各品種型的鋰離子電池。
因此比較適宜對能量密度要求不高，但是對本錢比較敏感，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)航的新動力轎車(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)在鈉離子電池仍然處于工業(yè)化的早期階段，在未來適當(dāng)長時間內(nèi)，都不或許替代鋰離子電池，兩者更多的是互補聯(lián)絡(luò)，各自滿足不同細(xì)分商場的運用需求。
一同，在工業(yè)鏈的完善、產(chǎn)品系列的豐盛、功用的老練、規(guī)范的制定、商場的認(rèn)可等方面，鈉離子電池仍然有很長的路要走，沒有十年時間，很難構(gòu)成一個巨大的工業(yè)。動力學(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儲存，根柢不可，鈉離子電池是新電池的首選，為什么介紹鈉離子電池呢?由于鋰離子電池現(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儲存，根柢不可，所以我們必定要考慮新的電池，鈉離子電池是首選。”
什么是鈉離子電池?鈉離子電池經(jīng)歷了怎樣的展開進程?其商業(yè)化現(xiàn)已抵達何種水平?本文答復(fù)這3個問題。
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在過去十年中，儲能領(lǐng)域現(xiàn)已逐步進入后鋰電時代，其標(biāo)志就是鈉離子電池的復(fù)興。早在2010年前后，鋰離子電池正深入改動社會生活之際，科研界就現(xiàn)已注意到鋰資源的匱乏以及全球散布嚴(yán)峻不均的問題。
因此，鈉離子電池技術(shù)又逐步回到了科研界的視野，并且憑借著在研討鋰離子電池技術(shù)上堆集的經(jīng)歷得到了快速的展開。只是五年以后，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：與鈉離子電池技術(shù)相關(guān)的學(xué)術(shù)論文宣布數(shù)量及專利數(shù)量(數(shù)據(jù)計算截止至2020年5月)
針對鈉離子電池的研討可以追溯到20世紀(jì)70時代，近10年來鈉離子電池的相關(guān)研討更是迎來了井噴式增加。2011年，全球首家專心鈉離子電池工程化的英國FARADION公司率先樹立，之后在全世界范圍內(nèi)鈉離子電池公司漫山遍野般失約而至。
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，首要包括英國FARADION公司、美國NatronEnergy公司、美國AquionEnergy公司、法國NAIADES計劃團體、日本岸田化學(xué)、松下、三菱以及我國的中科海鈉、鈉立異動力、星空鈉電等公司。其間歐洲因其鋰、鈷等重要鋰電上游資源短少，相對重視鈉離子電池的展開。
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。因此，展開鈉離子電池技術(shù)的要害相同在于找到適宜的正、負(fù)極材料以及電解液。
要害技術(shù)展開情況
1、負(fù)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)、有機材料、依據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反應(yīng)的材料(例如Sb基、P基等)、碳基材料等四大類。圖2給出了一些代表性負(fù)極材料的能量密度-比容量圖。
圖2：NIB中運用的各種負(fù)極材料的能量密度與比容量范圍，包括硬碳(橙色)、錫基(赤色)和銻基(深綠色)合金以及磷基化合物(淺綠色)
金屬氧化物具有穩(wěn)固的無機骨架結(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(fù)極材料最大的特色就是本錢低且結(jié)構(gòu)多樣，但是仍然存在許多問題，包括：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，有機鈉離子電池的展開具有很大潛力，但現(xiàn)在對這類材料的研討仍然處在起步階段。
依據(jù)轉(zhuǎn)化及合金化反應(yīng)的負(fù)極材料存在的最大問題便是脫嵌鈉進程中巨大的體積改動導(dǎo)致活性物質(zhì)的粉化，致使容量迅速衰減。
碳基負(fù)極材料首要是指無定形碳(包括硬碳和軟碳)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進步首圈庫倫功率。軟碳以及恢復(fù)石墨烯氧化物的比容量可以做到很高，但是相應(yīng)的作業(yè)電壓也高。
因此對這些材料的研討關(guān)鍵除了進步首圈庫倫功率，還需求進一步下降作業(yè)電壓。從圖3中可以看出，硬碳(HC)一般作業(yè)電位較低且具有比較高的容量，也因此，現(xiàn)在商業(yè)化的鈉離子電池產(chǎn)品所運用的負(fù)極簡直都是硬碳。
圖3：不同碳基材料的比容量和平均氧化電位。
2、正極側(cè)
由于鈉和過渡金屬離子之間較大的半徑差異，有許多功用性的結(jié)構(gòu)都可以完結(jié)鈉離子的可逆脫嵌。首要的正極材料包括：層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍類似物(PBA)、依據(jù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的材料以及有機材料。
在上述材料類型中，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)在最具展開前景三類材料。
層狀過渡金屬氧化物材料可以完結(jié)極佳的電化學(xué)功用(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括地殼中含量豐盛的元素，并且組成進程簡略，可以滿足規(guī)劃化出產(chǎn)的要求。
聚陰離子材料作業(yè)電壓高(對鈉電壓可高達4V)，并且結(jié)構(gòu)安穩(wěn)，缺點是離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)率較低，并且較大的分子質(zhì)量也拉低了比容量。
其間兩種快離子導(dǎo)體材料Na3V2(PO4)3和Na3V2O2x(PO4)2F3-2x因具有適當(dāng)好的倍率功用和循環(huán)壽數(shù)在許多聚陰離子資猜中鋒芒畢露。但是這些資猜中的變價元素V具有必定毒性。
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)安穩(wěn)性，骨架內(nèi)具有許多的氧化恢復(fù)位點。
現(xiàn)在這類材料可以完結(jié)很高的能量密度(大約500–600Whkg-1)，并且可以通過較低的溫度組成。但是這種材料由于導(dǎo)電性不好需求加入許多碳，這下降了體積比容量。
由于這種物質(zhì)一般都是在水介質(zhì)中組成的，其結(jié)構(gòu)中總會包括一些配位水或許間隙水，這不利于其在非水系系統(tǒng)的運用，但卻有利于完結(jié)在水系系統(tǒng)中超卓的循環(huán)安穩(wěn)性。別的，由于氰酸根的存在這種材料還有潛在的毒性。
依據(jù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)的正極材料具有很高的理論容量，但是這種材料也具有依據(jù)轉(zhuǎn)化反應(yīng)和合金化反應(yīng)的通病——過大的體積改動。
別的這類材料還具有較大的過電勢以及較慢的Na離子傳導(dǎo)速度。關(guān)于這類材料的開發(fā)仍處于開始階段。
有機正極材料不含過渡金屬元素，本錢更低并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材料，其首要的缺點是會溶于有機電解液導(dǎo)致容量迅速衰減，其較低的電導(dǎo)率也導(dǎo)致倍率功用不佳?，F(xiàn)在此類材料的展開也出于開始階段。
圖4：鈉離子電池系統(tǒng)中最具代表性的負(fù)極材料總覽。
總的來說(如圖4)，層狀氧化物在三種最有前景的資猜中展現(xiàn)了最高的理論容量。聚陰離子具有較低的理論比容量但是它們的實驗比容量十分挨近理論容量。
不同品種PBA的理論比容量相差較大，并且由于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。三品種型的材料的實驗比容量大約都在100-200mAh/g之間，這關(guān)于制造商業(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盛，包括水系、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，但是由于水的分解電壓約束，其作業(yè)窗口太窄，一同還得考慮與電極的適配問題，例如會不會發(fā)生腐蝕?如果是嵌入型電極材料，氫離子會不會嵌入進去?
非水系液態(tài)電解質(zhì)仍然是展開最老練的系統(tǒng)。現(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，它具有出色的電化學(xué)行為，本錢低，但是缺點是有爆破的風(fēng)險。FEC是最常用的添加劑，有利于在負(fù)極構(gòu)成薄且安穩(wěn)的SEI。
離子液體電解液一般在60-80℃展現(xiàn)最佳的功用。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。
關(guān)于這種電解液，鈉鹽的濃度是一個要害性要素，較高的鈉鹽濃度具有更好的安穩(wěn)性，并且能飽受住更大的電流，但相應(yīng)本錢也會上升。
離子液體電解質(zhì)可以被視為是下一代鈉離子電解質(zhì)，但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，具有出色的通用性、靈活性和熱力學(xué)安穩(wěn)性，但在室溫下的離子電導(dǎo)率很差。
通過調(diào)理電解質(zhì)鹽(NaPF6、NaTFI、NaFSI…)和聚合物基體，可以進步這些系統(tǒng)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，由于結(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，進步了離子導(dǎo)電性。
無機固態(tài)電解質(zhì)包括陶瓷系統(tǒng)，因此比較硬，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是至今停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)一般只適宜高溫或中高溫狀態(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接觸問題。對此，科研界提出了用NASICON電解質(zhì)加少量離子液體組合的方式來緩解界面問題。
玻璃材料的運用是另一種前進方向，由于它們易于成型或構(gòu)成薄膜，它們可以供給與電極的出色接觸。在這方面，硫化物化學(xué)是最有出路的化學(xué)之一。在LIBs玻璃狀硫化物方面堆集的經(jīng)歷激發(fā)了人們對Na10GeP2S12、Na10SnP2S12或Na3PS4等硫化物的興趣。
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)缺點。
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)安穩(wěn)性窗口較低，后者存在與SEI安穩(wěn)性和可燃性相關(guān)的問題，但這些缺點可以通過設(shè)計功用性固體電解質(zhì)來戰(zhàn)勝。
商業(yè)化情況
現(xiàn)在商業(yè)化鈉離子電池運用的負(fù)極材料都是硬碳。而三類首要正極材料都現(xiàn)已有完結(jié)商業(yè)化出產(chǎn)的比方。
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材料，由其構(gòu)成的全電池甚至可以逾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類材料的正極材料能量密度低一些，但卻可以完結(jié)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年制造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作為正極制造的。現(xiàn)在，該公司聲稱可以出產(chǎn)12Ah150–160Whkg-1(或270–290WhL-1)的電池，在1C倍率下循環(huán)壽數(shù)逾越3000圈，并且可以在-20和60℃之間運行。
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作為正極材料，比能量為90Whkg-1。之后，運用相同的技術(shù)，法國Tiamat開宣布了可以抵達2到5kWkg-1的功率密度(相關(guān)于LIBs增加了5倍)的電池，該電池可以在5分鐘內(nèi)充滿電。
2015年，美國夏普實驗室與J.B.Goodenough密切合作，證明普魯士白陰極(Na1.92Fe[Fe(CN)6])可以成功規(guī)劃出產(chǎn)，并組裝得到電壓為3V的電池。
在這一布景下，NovasisEnergies最近通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依據(jù)O3相復(fù)合正極材料的10Ah袋式和18650圓柱形電池，分量能量密度抵達135Whkg-1，放電速率可從1C改動到5C，容量保存率抵達90%，在3C下可循環(huán)逾越3000次。
此外，電池可在−30℃下以0.3C的速率放電，一同仍保存80%的室溫容量，并在高達85℃的溫度下儲存3天后，在后續(xù)循環(huán)中可徹底康復(fù)容量。
來自斯坦福大學(xué)的NatronEnergy是一家新樹立的公司，它運用PBA作為正極和負(fù)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雖然更低，但卻具有高達775Wkg-1(或1550WL-1)的功率密度。電池可以在12C下運行25000圈，容量保持率達70%。
在功用方面，室溫非水系NIB現(xiàn)已具替代部分鋰離子電池的才干(圖7)。此外，考慮到它們?nèi)蕴幱谏虡I(yè)化初期，并且大多數(shù)研討作業(yè)都會集在電極活性材料上，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展開。
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術(shù)，可以滿足靜態(tài)儲能的要求。
圖8：二次電池的理論和實際能量密度，包括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的理論值別離依據(jù)Na2S和Na2O2的放電產(chǎn)品。綠色字體的電池系統(tǒng)現(xiàn)已商業(yè)化，灰色字體的電池系統(tǒng)現(xiàn)已在研討界得到廣泛的研討，赤色字體的電池系統(tǒng)則需求進一步開發(fā)。
鈉離子電池的能量密度可以做到150Wh/kg上下，與磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池比較挨近，循環(huán)壽數(shù)可以做到3000~6000次，與磷酸鐵鋰適當(dāng)，優(yōu)于錳酸鋰和三元鋰，熱安穩(wěn)性和安全性與磷酸鐵鋰基本適當(dāng)。
電池本錢分析，鈉離子電池的BOM本錢約為0.25元/Wh，而磷酸鐵鋰的BOM本錢已逾越0.35元/Wh，理論上鈉離子電池材料本錢比磷酸鐵鋰電池低30%以上。
但現(xiàn)階段鈉離子電池系統(tǒng)由于制備工藝不老練、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)本錢明顯高于鋰離子電池，必定程度上抵消了材料本錢優(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)備的改進，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明顯的本錢優(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適當(dāng)，在倍率功用、高低溫功用方面都不弱于各品種型的鋰離子電池。
因此比較適宜對能量密度要求不高，但是對本錢比較敏感，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)航的新動力轎車(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)在鈉離子電池仍然處于工業(yè)化的早期階段，在未來適當(dāng)長時間內(nèi)，都不或許替代鋰離子電池，兩者更多的是互補聯(lián)絡(luò)，各自滿足不同細(xì)分商場的運用需求。
一同，在工業(yè)鏈的完善、產(chǎn)品系列的豐盛、功用的老練、規(guī)范的制定、商場的認(rèn)可等方面，鈉離子電池仍然有很長的路要走，沒有十年時間，很難構(gòu)成一個巨大的工業(yè)。動力學(xué)人、輕型電動車
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鈉離子電池
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