鈉離子電池

鈉離子電池（SIB）是一種利用鈉離子作為電荷傳輸媒介的二次電池。其工作原理依賴于鈉離子在正負(fù)極間的遷移來實(shí)現(xiàn)充放電過程。該電池的構(gòu)造包括正負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜、集流體、外殼等關(guān)鍵部分。評估其電化學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)包括電壓、內(nèi)阻、容量、庫倫效率、能量、功率以及倍率性能等。鈉離子電池的研究起源于20世紀(jì)60年代，1967年高溫鈉硫電池問世，但由于可靠性不足，研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向了室溫鈉離子電池，并持續(xù)探索其正負(fù)極材料。鈉離子電池根據(jù)電解質(zhì)體系可分為固態(tài)、水系和非水系三種類型。它以其低成本、穩(wěn)定的電化學(xué)性能、良好的熱穩(wěn)定性和安全性而受到關(guān)注。

2018年，鈉離子電池首次被應(yīng)用于低速電動汽車領(lǐng)域，顯示出在儲能和低速電動車領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，盡管目前仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。知名的品牌制造商包括英國的Faradion公司、美國的Natron Energy公司和中國的北京中科海鈉科技有限公司等。

鈉離子電池的基本結(jié)構(gòu)主要由正極、負(fù)極、含鈉離子的電解質(zhì)、玻璃纖維隔膜、集流體及外殼等組成。

正極

在鈉離子電池的工作過程中，電子流入的一端稱為正極，其性能直接影響電池的整體性能。正極材料通常分為三類：層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子型化合物和普魯士藍(lán)類化合物。其中，層狀氧化物因其生產(chǎn)工藝與三元鋰離子電池正極材料高度兼容，在鈉離子電池和鋰電正極企業(yè)如中科海納中得到應(yīng)用。聚陰離子型化合物因其循環(huán)穩(wěn)定性和高工作電壓，與儲能需求相契合。普魯士藍(lán)類化合物，作為一種無機(jī)顏料，主要在具有顏料背景的化工企業(yè)中使用。

負(fù)極

鈉離子電池的負(fù)極在充放電過程中負(fù)責(zé)存儲鈉離子。負(fù)極材料主要分為碳材料和非碳材料，后者包括鈦基材料、有機(jī)類材料和合金類材料。

電解液

鈉離子電池的電解液充當(dāng)正負(fù)極間的橋梁，負(fù)責(zé)載流子在正負(fù)極之間的傳輸。電解液通常由溶劑、鈉鹽和添加劑組成，其成分對電池的能量密度、循環(huán)壽命和倍率性能等方面具有顯著影響。

鈉鹽成分包括高氯酸鈉（NaClO4）、三氟甲磺酸鈉（NaFSO3）、六氟磷酸鈉等；通常使用的溶劑是碳酸二甲酯（DMC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）以及乙二醇二甲醚（DME）等，這些溶劑可以是單一或多種的混合形式。

在鈉離子電池中，隔膜作為關(guān)鍵的非活性材料，主要作用是分隔正負(fù)極，防止直接接觸引發(fā)反應(yīng)，并確保溶劑分子能夠滲透，允許溶劑化鈉離子快速通過。

理想的隔膜應(yīng)具備良好的電子絕緣性、離子導(dǎo)電性、高機(jī)械強(qiáng)度、盡量薄的厚度、良好的化學(xué)惰性（不與電解液或正負(fù)極反應(yīng)）以及優(yōu)秀的熱穩(wěn)定性。隔膜的性能對電池性能至關(guān)重要。例如，隔膜厚度影響電池能量密度，過厚降低能量密度，過薄則可能影響電池安全性。此外，隔膜的導(dǎo)電性也影響電池的倍率性能。

常見隔膜類型

市場常見隔膜有PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP隔膜以及陶瓷隔膜（常用玻璃纖維隔膜）等。隔膜孔徑一般在0.03-0.12μm之間，孔徑分布窄且均勻。

集流體：集流體用于收集和傳導(dǎo)電子，鈉離子電池通常使用鋁箔作為集流體，因?yàn)殇X的價格低于銅。

外殼結(jié)構(gòu)：外殼作為電池的容器，保護(hù)內(nèi)部材料。鈉離子電池外殼分為軟包和硬殼兩種。軟包電池通常采用鋁塑膜封裝，鋁塑膜由聚丙烯層、鋁箔層、尼龍層組成。聚丙烯層保證封裝可靠性及防腐蝕；鋁箔層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止外部水汽滲入和內(nèi)部電解液滲出；尼龍層防止外界力量對電池造成損害。硬殼電池通常采用鋁殼或鋼殼封裝。

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池相似。充電時，鈉離子從正極材料脫出，釋放電子，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，擴(kuò)散至負(fù)極并嵌入活性物質(zhì)中。正極活性物質(zhì)因失去電子而電勢升高；負(fù)極活性物質(zhì)因富鈉而電勢降低，整體電池電壓上升。電子通過外電路從正極傳至負(fù)極，參與氧化還原反應(yīng)。

放電時，鈉離子從負(fù)極材料釋放，穿過電解液和隔膜至正極，電子通過外電路負(fù)載從正極傳至負(fù)極，正極電勢降低，負(fù)極電勢升高。

鈉離子電池的特點(diǎn)包括：

1. 相較于鋰離子電池，鈉離子電池?zé)o需使用鋰、鈷等高價稀有金屬，成本較低。

2. 鈉離子電池的運(yùn)作原理與鋰離子電池相似，因此能夠利用現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝和設(shè)備，無需進(jìn)行額外的設(shè)備投資。

3. 鈉離子電池在電化學(xué)性能上表現(xiàn)出相對穩(wěn)定性，且熱穩(wěn)定性佳，其安全運(yùn)行性能優(yōu)于鋰離子電池。

4. 鈉離子電池具備優(yōu)良的倍率性能，能夠滿足動態(tài)儲能和大規(guī)模供電的需求。

評價電池電化學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)包括電壓、內(nèi)阻、容量、庫倫效率、能量、功率以及倍率性能等。

電壓：電壓指標(biāo)包括電動勢、額定電壓、開路電壓、放電電壓和終止電壓等。

- 電動勢：指鈉離子電池正負(fù)極間的平衡電位差。

鈉離子電池

- 開路電壓：指無外部負(fù)載時鈉離子電池的電壓。

- 工作電壓：指鈉離子電池在放電過程中的電壓。

內(nèi)阻（EIS）：鈉離子電池的內(nèi)阻是指在工作過程中，電流通過電池內(nèi)部時遇到的阻力，包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。

容量和比容量：鈉離子電池的容量是指在特定放電條件下，電池能夠釋放的電荷量，以C表示。容量受放電電流大小的影響。比容量是指單位質(zhì)量或體積的鈉離子電池能夠釋放的電荷量。

庫倫效率：庫倫效率是指鈉離子電池放電容量與充電容量之比。在實(shí)際應(yīng)用中，電池的庫倫效率通常低于100%。副反應(yīng)是影響庫倫效率的主要因素，而自放電、電極活性物質(zhì)的脫落、結(jié)塊以及孔隙收縮等因素也會影響電池的放電容量。

能量密度：鈉離子電池的能量密度是指電池所能輸出的電能總量。

功率：鈉離子電池的功率是指電池在單位時間內(nèi)輸出的能量。

倍率性能：倍率性能是指鈉離子電池在不同電流密度下的放電性能。

電網(wǎng)儲能

- 電源側(cè)應(yīng)用：鈉離子電池儲能系統(tǒng)可與火電機(jī)組協(xié)同工作，提供調(diào)頻調(diào)壓服務(wù)，增強(qiáng)電網(wǎng)的響應(yīng)速度和瞬時功率調(diào)節(jié)能力。在自動發(fā)電控制（AGC）系統(tǒng)調(diào)度下，鈉離子電池儲能系統(tǒng)還能與光伏、風(fēng)力等新能源系統(tǒng)結(jié)合，提升電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，降低棄電率。

- 變電站系統(tǒng)應(yīng)用：在移峰填谷等應(yīng)用場景中，鈉離子電池儲能系統(tǒng)因其低成本和高效率的優(yōu)勢，有助于進(jìn)一步降低輸配電損耗。

- 負(fù)荷側(cè)應(yīng)用：利用鈉離子電池儲能系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時段儲存能量，在負(fù)荷高峰時段釋放，提升電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。此外，鈉離子電池儲能系統(tǒng)具有寬溫區(qū)特性，能適應(yīng)不同氣候條件，提高分布式電源的滲透率。

盡管如此，鈉離子電池在電解質(zhì)穩(wěn)定性、電極與電解質(zhì)界面穩(wěn)定性、安全問題以及廢棄電池回收等方面仍需克服諸多挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)其在電網(wǎng)儲能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

電動汽車

鈉離子電池憑借其成本優(yōu)勢和豐富的鈉資源儲備，有望在微型和輕型電動汽車市場中部分取代磷酸鐵鋰電池。2018年6月，中國科學(xué)院物理研究所成功推出了全球首輛配備鈉離子電池的低速電動車。

2019年，全球第一條鈉離子電池生產(chǎn)線在中國遼寧省啟動運(yùn)營。盡管如此，目前鈉離子電池技術(shù)在能量密度方面尚未達(dá)到電動汽車的全面需求。因此，研發(fā)新型的高電壓正極材料、優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)并提升其電化學(xué)性能，成為推動鈉離子電池大規(guī)模應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。