大规模储能选择钠离子电池的原因是什么？

1.为适应可再生能源某时段内大量产生的特点，储能设备应具有大能量密度和低自放电；

2.为适应可再生能源瞬时产生的特点，要求储能设备具有大倍率充放电的能力；

3.具备大的温度范围下工作的能力，对工况要求低；

4.设计大规模储能设备需要考虑到废弃成本，不应在产品废弃时产生更多花费。

 

目前考虑用于ESS的储能体系有铅酸电池，锂离子电池和钠离子电池；铅酸电池成本低，但是能量密度太低会制约它的应用；锂离子电池能量密度高，但考虑到地球的锂储量和成本，必须有相应的锂资源回收利用系统支持。其他储能体系如超级电容器，功率足够大，但是能量密度低而且自放电快；要采用液流电池的话，其整体的能量密度还需要在进一步提高。钠离子电池中的钠储量丰富价格低廉，原料易得，早在1980年NGK公司已经成功的在世界200多个地区应用高温钠硫电池（HT-NSB），总设计能量达到3700MWh。但需要300°C的工作环境来保持电解质流动性，带来了安全隐患和腐蚀的问题。2011年NGK公司的安全事故，打击了人们对高温钠硫电池的热情，当然也让室温钠离子电池又一次进入大众的视野。

 

【成果简介】

 

近日，浙江大学梁成都，凌敏，中南大学郑俊超（共同通讯）在Energy Environ. Sci.上发表综述，题为Exploring competitive features of stationary sodium ion batteries for electrochemical energy storage（作者Tiefeng Liua,c, Yaping Zhang等），文章介绍大规模储能系统（ESS）的规模和需求特点，并详细的讨论了钠离子电池适用于大规模储能系统的原因，总结了钠离子电池相关材料的研究进展。就算没钱搞储能，一文入门钠离子电池也是绝对值得一看。

 

【研究亮点】

 

本文总结了几个关键因素，告诉你为什么大规模储能选钠电？

1.低廉的资源-前驱体材料价廉易得，满足对规模供给和低价的需求；

2.高的倍率性能-能够适应响应型储能和规模供电；

3.工况要求低-能够满足所有气候条件下应用，不完全依赖温度调节设备；

4.可回收-避免环境污染和资源浪费，实现回收再利用的闭环。

下面将分这四大板块进行详细论述。

 

钠离子电池优势一：性价比高

 

这年头搞储能设备，规模一大就发愁，钱从哪来？因此性价比高的钠电就变成了香饽饽，图2展示了电池成本的主要来源和比例，说明电池多少钱主要取决于选择的电极材料、有机电解液和隔膜，钠离子电池的配件相应的比锂离子电池要便宜，另外钠的化合物可以作为电极材料，这也是降成本的一个主要方向。

 

钠源广泛：钠盐，比如NaCl\Na2CO3,Na2SO4,都可以从海水和矿物中得到，遍地都是所以比锂便宜多了。另外，以11.5KWh为例，如果用LiMn2O4正极配石墨负极用于锂离子电池，成本为$1022美元，其中锂大约占~4.3%，如果相应的采用锰基正极，钠只要$4.57美元，足足省了$38.95美元，也就是说如果把锂电换成钠电，光正极成本就能降约~4%。同样的道理，电解质盐也能降1%左右。

 

过渡金属：过渡金属元素是电极材料的关键，相对来说Fe\V \Mn是便宜的，但是因为锂离子（0.76A）和铁离子（III）（0.645A）的半径比较接近，在层状LiFeO2中容易发生混排，所以锂离子电池正极适合选择磷酸盐材料，相应的制备成本会高一些。对于钠离子（1.02A）来说，就没这个问题。NaFeO2的O3相层状氧化物做钠电电极，利用Fe3+/Fe4+氧化还原点对反应，容量达到85mAh/g，类似的 Na0.44MnO2，P2-Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2，P2-Na7/9Cu2/9Fe1/9Mn2/3O2也具有非常好的电化学性能。因此，Fe/Mn/V 基电极材料能够进一步降低钠离子电池的成本，图3是一些过渡金属的电化学性能举例。

 

 

图3  (a) Na/α-NaFeO2 电池的初始充放电曲线；(b) Na/Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 电池的倍率性能；(c) Na7/9Cu2/9Fe1/9Mn2/3O2 电极在 0.1 C下的充放电曲线；(d) Na3V2 (PO4) 2O2F3 纳米复合材料在 2.0-4.3 V 之间，电流密度64 mA/g下的充放电曲线；(e) Na4MnV (PO4) 3在 2.5-4.3 V 之间的首次充放电曲线；(f) 不同材料的计算电压（ Na 电压/Li 电压）

 

有机源材料：与无机材料相比，有机材料作为钠离子电池电极材料有几个优势：1.相比于无机材料，有机材料具有可持续性，对环境友好，通过天然材料由简单的化学/热处理就可以制得，取材广泛，原料易得，可以大批量制备。2.天然的有机原料含有丰富的C、H、O、N、S元素，不需要在做改性处理；3.有机的材料能够和导电碳材料通过共轭作用，形成键合提升倍率性能并降低化合物溶解性从而延长使用寿命。

 

低成本辅材选择策略：钠离子电池中的集流体和隔膜相较于锂离子电池价格更低。价格更高的传统锂离子电池PP隔膜对于钠离子来说不适用了，而用于钠离子电池的玻纤隔膜则具有价格优势。另外，铝和钠不会形成合金，因此可以用铝箔取代铜箔作为负极集流体。