鈉離子電池的優(yōu)勢有哪些呢

近年來，發(fā)展清潔能源成為世界多數(shù)國家的共識，我國更提出了“碳達峰、碳中和”的宏偉目標，太陽能、風能、潮汐能等清潔能源發(fā)電技術得到了快速發(fā)展，但這些自然能源具有間歇性、隨機性的特點，以及較強的地理依賴性。為解決新能源發(fā)電在時間和空間上的局限，提高新能源的利用率，儲能技術的重要性日益凸顯。

按照對電能的轉化和儲存方式，儲能技術分為物理儲能、化學儲能與電化學儲能。其中，電化學儲能包括二次電池技術和超級電容器等，具有能量轉換效率高、響應速度快的特點。尤其是二次電池技術，還具有能量密度高，易模塊化的優(yōu)勢。

二次電池，也稱可充電電池或蓄電池，是一種利用可逆化學反應，能夠反復多次充放電，使電能與化學能互相轉換，以實現(xiàn)能量儲存的裝置。

二次電池儲存能量的能力，用能量密度（也稱比能量）來體現(xiàn)，即單位質量或體積的電池能夠輸出的總能量，它是比容量與平均放電電壓的乘積。比容量理論上由參與電極反應物質的摩爾質量和得失電子數(shù)決定，因此電荷載體的荷質比越大，則電池的理論比容量越大。

放電電壓理論上主要由正負極材料的電勢差和內阻所決定，因此正極電勢越高、負極電勢越低、電池內阻越小，則放電電壓越大。其次，電荷載體必須具有較好的輸運能力和反應動力學活性，這直接影響電池的倍率性能以及功率密度。最后，電極反應的可逆性和副反應等因素決定了二次電池的循環(huán)性能和壽命。

以鋰為代表的堿金屬具有最低的氧化還原電極電勢，離子荷質比較大且去溶劑化能較低，因此早在20世紀60年代就被嘗試用于二次電池的負極材料。早期鋰離子電池以金屬鋰或鋰合金為負極，過渡金屬鹵化物（如AgCl、CuCl、NiF2等）為正極，但此類正極材料導電性差、易溶解、充放電體積劇變，且難以解決。

60年代末，以TiS2為代表的過渡金屬-硫族化合物被發(fā)現(xiàn)具有層間嵌脫能力，可以作為鋰離子電池的正極材料，且具有高電導率和電化學反應活性，與金屬鋰配合電壓為2.2V，具有實用價值。

但金屬鋰的高度活潑性使得該電池事故頻發(fā)，迫使人們將負極也改用嵌鋰化合物（如嵌鋰石墨），這就是“搖椅式電池”的概念：用低嵌入電勢化合物作為負極，高嵌入電勢化合物作為正極，避免了堿金屬枝晶問題。由于嵌鋰化合物負極的電勢比金屬鋰更高，導致電池整體的電壓和能量密度降低，又迫使人們尋找新的正極材料，并陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等正極材料。

鈉離子電池的成本和倍率性能相對鋰離子電池具有優(yōu)勢。鈉與鋰處周期表同族，價電子數(shù)相同，化學性質更活潑，由于鈉的原子質量和半徑遠大于鋰，故而鈉離子電池的能量密度顯然難以與鋰離子電池媲美，但鈉元素的自然界豐度是鋰的一千多倍，而且鈉離子的去溶劑化能遠低于鋰離子。

鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時問世于70年代，但二者的研究歷程略有不同。當時率先出現(xiàn)的鈉二次電池是鈉硫電池，以單質硫和金屬鈉為正負極，β-氧化鋁快離子導體為固態(tài)電解質，工作溫度在300~350℃。這種高溫鈉硫電池的能量密度較高（150~240Wh/kg），循環(huán)壽命達2500次，而與之相似的鋰硫電池則循環(huán)壽命僅不到10次。

為了提高鈉二次電池的安全性，人們對室溫鈉離子電池進行了研發(fā)，采用了與鋰離子電池類似的思路，正極材料經歷了層狀過渡金屬硫化物（TiS2）到層狀氧化物（NaxCoO2）和磷酸鹽（Na3M2(PO4)3,M為過渡金屬）的歷程。但到了80年代末期，鈉離子電池的研究遇冷，相關研究幾乎停滯。

究其原因有三點：第一，難以找到合適的負極材料（能在酯類溶劑中高效儲鋰的石墨卻難以儲鈉）；第二，研究條件有限（系統(tǒng)水氧含量較高，難以用金屬鈉作為基準電極開展材料評估實驗）；第三，鋰離子電池獨占鰲頭（大量的研究者把方向錨定在鋰離子電池上）。

直到21世紀，鈉離子電池迎來了轉機。2000年，人們發(fā)現(xiàn)由葡萄糖熱解得到的硬碳材料具有高達300mA·h/g的儲鈉比容量，為鈉離子電池提供了一種至關重要的負極材料。2007年，聚陰離子正極材料Na2FePO4F被發(fā)現(xiàn)，該材料的嵌脫體積形變率僅3.7%，幾乎沒有應變。

在2000年至2010年間，鈉離子電池的研究速度較為平緩，主要集中在少數(shù)幾個實驗團隊。2010年后，鈉離子電池研究進入了春天，新的材料體系不斷涌現(xiàn)，并逐步嘗試產業(yè)化。

審核編輯：劉清