鈉離子電池的前世今生

聽(tīng)?wèi)T了鋰離子電動(dòng)汽車的吃瓜群眾不禁要問(wèn)，什么是鈉離子電池？

認(rèn)識(shí)鈉離子電池，首先要了解堿金屬。按照百度百科的解釋，堿金屬是指在元素周期表中ⅠA族除氫（H）外的六個(gè)金屬元素，即鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）和鈁（Fr），而鈉和鋰都是堿金屬。由于二者的化學(xué)性質(zhì)相似，在鋰離子電池占據(jù)電動(dòng)汽車市場(chǎng)主導(dǎo)地位的今天，鈉離子電池的問(wèn)世應(yīng)該算不上是稀奇事。

早期的鈉離子電池重要以Na/S為主，即鈉硫電池，化學(xué)反應(yīng)式為：

2Na+xS=Na2Sx

鈉硫電池中的電解質(zhì)是熔融狀態(tài)的鈉，所以要求運(yùn)行溫度達(dá)到300度以上。一些業(yè)內(nèi)人士介紹，僅鈉硫電池的預(yù)熱就要三天時(shí)間。

另外，鈉硫電池的安全性偏低。鈉的化學(xué)性質(zhì)非常活潑，熔融狀態(tài)的金屬鈉遇到空氣或水都會(huì)劇烈反應(yīng)，鈉硫電池導(dǎo)致的火災(zāi)通常只能用沙子覆蓋撲滅，但在清理燃燒灰燼時(shí)，鈉一旦接觸空氣又會(huì)死灰復(fù)燃。這是鈉硫電池?zé)o法大規(guī)模推廣的原因之一。

常溫下鈉離子電池的研究，可以追溯到上世紀(jì)80年代，但是由于正負(fù)極材料難以匹配，鈉離子電池的研究一度停滯不前。

進(jìn)入21世紀(jì)，新能源行業(yè)的興起帶活了上游產(chǎn)業(yè)，各種新興電池技術(shù)開(kāi)始冒尖，常溫鈉離子電池也獲得了新生。這一時(shí)期，鈉離子相關(guān)的論文發(fā)表數(shù)量和新聞報(bào)道數(shù)量顯著新增鈉離子電池開(kāi)始獲得更多人的關(guān)注。

1994年至今，鈉離子電池相關(guān)的學(xué)術(shù)論文發(fā)表數(shù)量。

鈉離子電池能套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)嗎？

討論常溫下鈉離子電池的研究，不得不提到鋰離子電池，因?yàn)槎叩墓ぷ髟硎窒嗨疲囯x子電池已經(jīng)在電動(dòng)汽車市場(chǎng)上大獲成功。

鈉離子電池和鋰離子電池都屬于濃差電池。濃差電池是由于電池中存在濃度差而出現(xiàn)電勢(shì)的電池，具體到鈉離子電池上，在充放電過(guò)程中，鈉離子不停脫、嵌于正、負(fù)極，在隔膜兩側(cè)形成濃度差，進(jìn)而出現(xiàn)電勢(shì)。打個(gè)比方，鈉離子電池中電勢(shì)出現(xiàn)的過(guò)程，就像是離子要鉆到電極的洞里的過(guò)程。鋰離子電池也是如此。

基于此，在一些業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，鈉離子電池可以直接套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和原理反正都是離子鉆洞，而且，鋰離子電池技術(shù)已經(jīng)十分成熟，直接套用可以縮短研發(fā)周期，何樂(lè)而不為呢。

但是，我對(duì)這種看法持保留意見(jiàn)。我認(rèn)為，鈉離子電池可以套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)，但是難度較大。雖然鈉和鋰的化學(xué)性質(zhì)相似，但是物理性質(zhì)相差不少。

上圖為鋰的半徑，下圖為鈉的半徑。

借用剛才解釋濃差電池時(shí)打的比方，既然離子要往洞里鉆，它的尺寸就不能過(guò)大，否則不但離子遷移的動(dòng)作遲緩，還增大了進(jìn)洞難度，即便硬擠進(jìn)去，往復(fù)多次，就很有可能導(dǎo)致山洞塌方，鋰離子電池業(yè)內(nèi)稱之為坍塌或崩塌。

上表顯示，鈉離子的半徑比鋰離子大30%左右，假如套用鋰離子的電池結(jié)構(gòu)，很容易使電池的循環(huán)性能大打折扣，運(yùn)行幾十次之后可能就徹底報(bào)廢了。

另外，要談鈉離子電池套用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)，必須先找到便宜好用的電極材料等。沒(méi)有這個(gè)大前提，套用是不現(xiàn)實(shí)的。

鈉離子電池成本有優(yōu)勢(shì)嗎？

鈉的地殼儲(chǔ)量巨大（在所有元素中排第6位），受資源限制較小，因此，價(jià)格比較穩(wěn)定。顯然，鈉的成本優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超鋰。

左圖為鈉離子電池常見(jiàn)的正極材料，右圖為常見(jiàn)的負(fù)極材料（橫坐標(biāo)為克容量，縱坐標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)）

但是，事實(shí)遠(yuǎn)比表格中的數(shù)據(jù)復(fù)雜。

在自然界中，鈉并不是獨(dú)立存在的，而是通常以鹽的形式呈現(xiàn)出來(lái)，最常見(jiàn)的是NaxMO2（M一般是鈷、鎳、鐵、錳、釩，或這幾種元素的混合）。因此，對(duì)電池成本影響最大的是材料中最貴（單價(jià)x含量）的元素，而不一定是價(jià)格較低的鈉。

同時(shí)，制造鈉離子電池的電極材料也都不是天然存在的，必須靠后期提煉、加工和合成。因此，加工成本也是影響鈉離子電池價(jià)格的重要因素。

目前，鋰離子電池的規(guī)模已經(jīng)十分龐大。亞化咨詢的研究表明，2017年，我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)量約為88.7GWh。那么，鈉離子電池是否能實(shí)現(xiàn)類似的規(guī)模化發(fā)展呢？

我認(rèn)為，在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)期內(nèi)，很難。

第一，鈉離子電池沒(méi)有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。雖然鈉離子的成本低于鋰離子，但在短時(shí)間內(nèi)，鈉離子電池不太可能撼動(dòng)已經(jīng)形成規(guī)模的鋰離子電池，有限的市場(chǎng)需求不足以拉低鈉離子電池的價(jià)格。

第二，鈉離子電池的安全性較差。現(xiàn)階段，鈉離子電池比鋰離子電池的循環(huán)壽命短，因此故障率較高、安全系數(shù)也比較低。再加上其標(biāo)稱容量過(guò)高，一旦發(fā)生事故，后果更加嚴(yán)重。

第三，鈉離子電池的回收難度大。假如鈉離子電池的材料成本低廉的假設(shè)成立，那么，材料可回收殘值也很低，這樣一來(lái)，就無(wú)法形成自循環(huán)的商業(yè)模式，而必須由額外的成本來(lái)驅(qū)動(dòng)。

當(dāng)然，鈉離子電池的競(jìng)爭(zhēng)力較弱，并不意味著我們要放棄研發(fā)。畢竟，新電化學(xué)體系的探索，是從0到1的突破，比在原體系去修正結(jié)構(gòu)的意義更大。研究人員遵循科學(xué)的客觀規(guī)律，穩(wěn)步推進(jìn)，鈉離子電池也有希望獲得重大突破。

但是，假如忽視客觀規(guī)律，單純?yōu)樽分鹄麧?rùn)，用商業(yè)化和資本化方式運(yùn)作鈉離子電池系統(tǒng)，勢(shì)必對(duì)技術(shù)本身造成負(fù)擔(dān)。就像幼年的孩子被寄予過(guò)高期望，反倒會(huì)影響他未來(lái)的發(fā)展。