什么是钠离子电池？为什么钠离子电池有望代替锂电池？
来源：宝鄂实业
2019-06-05 16:36
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南京理工大学夏晖教授与中外团队协作，开创结构设计和调控办法，在锰基正极材料研讨方面获得重要进展，使低成本钠离子电池有望代替锂离子电池，相关成果宣布在最新一期《自然·通讯》上。钠资源丰富，挖掘费用仅为锂的百分之一，因此钠离子电池的研发成为科研人员争相“开垦”的范畴。而层状结构的锰酸钠正极材料具有理论容量高、价格低廉及来历广泛等利益，使之成为钠离子电池正极材料的热门研讨目标。
夏晖教授团队开创结构设计和调控办法，与中科院物理所谷林研讨员及美国加州大学圣地亚哥分校孟颖教授协作，在水钠锰矿层状结构的基础上，成功制备出兼具大层间隔与高钠离子含量的层状纳米正极材料。
这种正极材料制成的电极比容量达到211.9毫安时每克，而现在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，这种正极材料结构安稳无相变，体积改变仅为2%，循环充放电1000次后，比容量坚持率高达94.6%，而电池职业一般的比容量坚持率规范约为80%。钠是地球上仅次于锂的第二轻的金属元素，从元素周期表中来看，钠与锂属于同一族元素，它们的化学性质相似，因此理论上钠也可以像锂一样用来做电池。当然了，钠的原子半径比锂要大很多，因为钠原子比锂原子要多8个电子，所以自然长得很胖。一旦长胖，就会有很多麻烦，比如它不能像锂那样嵌入到石墨中，而且它比锂要重很多，使得单位质量的电池储能就要比锂少。
但是，钠有一个优点——钠元素在地球上的含量非常高，它在地球上的含量是锂的几千倍。我们吃的食盐里就有大量的钠，海水中也有非常多的钠。正因为含量十分丰富，所以钠比锂要便宜很多。在市场上，作为锂原料的碳酸锂价格每吨需要几万元；而作为钠原料的氯化钠的价格每吨只要几千元。所以，作为电池来说，钠电池与锂电池相比的一个突出优点就是便宜，这对于产业化来说是一个非常核心的优势。因为产业界最关心的是成本。
当然，成本优势不等于技术优势，关键还要看钠是不是真的可以做电池。电池的正极材料、负极材料、电解液是三个基本的组成部分，这些对钠电池来说都没有原则性的困难。所以钠电池是可以存在的。以钠离子电池的负极材料为例，可以做负极的材料有很多种，研究的比较多的主要是硬碳材料。虽然硬碳的储钠机理目前还没有定论，而且不同的人做出的电池负极性能差异比较大，但这只是工艺问题，总有一天能做到标准化的。
实际上，钠离子电池的工作原理与锂离子电池没有太大的差别，利用的是钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。充电时，钠离子从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，钠离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下，钠离子在正负极间的嵌入脱出不应该破坏电极材料的基本化学结构（当然在实际情况下可能会产生一定的记忆效应，也可能导致电极材料的老化）。
那么，钠离子电池有技术优势吗？有的人宣称在原理上，钠离子电池的充电时间可以缩短到锂离子电池的1/5——虽然目前这方面的公开数据并不是很充分，于是只能说这是潜在的优点。也有相关资料宣称，钠离子电池寿命超过10年，而通常锂离子电池使用寿命只有3-4年，不过对于这一点是存疑的，据硅谷动力君调研，钠离子电池的主要问题正是循环寿命不高，所以这是一个争议点。
