近幾十年來，鋰離子電池技術(shù)的進(jìn)步改善了全球的生活條件。鋰離子電池(Lithium ion batteries，簡稱LIB)用于大多數(shù)移動(dòng)電子設(shè)備以及電動(dòng)車輛。然而，人們越來越擔(dān)心可再生能源和智能電網(wǎng)的負(fù)載均衡，以及鋰源的可持續(xù)性，因?yàn)殇囐Y源的地球儲(chǔ)量相對有限，這必將導(dǎo)致鋰資源緊張和原材料價(jià)格飆漲。因此，單靠LIB能否滿足小型和/或中大型儲(chǔ)能應(yīng)用不斷增長的需求仍不清楚。為了緩解這些問題，最近的研究集中于替代能源儲(chǔ)存系統(tǒng)。鈉離子電池(Sodium ion batteries，簡稱SIB)被認(rèn)為是最佳候選電源。

為什么是鈉離子電池?

鈉是地球上第四豐富的元素，其分布似乎是無限的。含鈉前體的供應(yīng)量巨大。與碳酸鋰相比，資源豐富且生產(chǎn)碳酸鈉的天然堿成本低得多，這為開發(fā)用作鋰離子電池替代品的鈉離子電池提供了令人信服的理由。

SIB的研究史

由于需要鋰的替代品來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，近年來，鈉離子電池引起了相當(dāng)多的研究關(guān)注。其實(shí)，自1970年代和1980年代開始開發(fā)LIB時(shí)，就開始研究SIB，但由于LIB商業(yè)應(yīng)用的快速發(fā)展和成功，SIB在很大程度上被放棄。此外，在這些年中，材料、電解質(zhì)和手套箱的整體質(zhì)量不足以處理鈉，因此難以觀察電極性能。

20世紀(jì)80年代，在鋰離子電池商業(yè)化之前，一些美國和日本公司開發(fā)了全電池配置的鈉離子電池，其中鈉鉛合金復(fù)合材料和P2型NaxCoO2分別用作陽極和陰極。盡管在300次循環(huán)中具有顯著的可循環(huán)性，但平均放電電壓低于3.0 V，這對于平均放電電壓為3.7 V的碳/LiCoO2電池沒有引起太多關(guān)注。

SIB和LIB的異與同

除了離子載體外，SIB和LIB的電池組件和電存儲(chǔ)機(jī)制基本相同。就陰極材料而言，鈉的嵌入化學(xué)與鋰的嵌入化學(xué)非常相似，因此可以在兩種系統(tǒng)中使用類似的化合物。

然而，SIB和LIB之間存在一些明顯的差異。與Li+離子(0.76)相比，Na+離子的體積更大，這會(huì)影響相穩(wěn)定性、輸運(yùn)性質(zhì)和界面形成。鈉(23 g·mol-1)也比鋰(6.9 g·mol-1)重，并且具有更高的標(biāo)準(zhǔn)電極電位(鈉vs SHE為-2.71V，鋰vs SHE為-3.02V)。因此，SIB在能量密度方面總是達(dá)不到要求。不過，可循環(huán)鋰或鈉的重量僅占組件質(zhì)量的一小部分，容量主要由用作電極的主體結(jié)構(gòu)的特性決定。因此，原則上，從LIB到SIB的過渡不應(yīng)產(chǎn)生能量密度較大差異的結(jié)果。此外，相對于Li/Li+，鋁與鋰發(fā)生低于0.1 V的合金反應(yīng)，這表明鋁可用作鈉電池陽極的集電極。因此，鋁作為SIB的陽極集電極是銅的一種經(jīng)濟(jì)高效的替代品。

因此，對SIB的研究可以借鑒LIB的研究經(jīng)驗(yàn)但卻無法完全移植，需要尋找適合SIB的材料，構(gòu)建合適的SIB體系。

SIB比LIB成本更低嗎?

對于這個(gè)問題，Christoph Vaalma等進(jìn)行了研究論證。成本分析表明，用鈉代替鋰不會(huì)直接顯著降低電池成本。然而，在鋰短缺和相關(guān)價(jià)格上漲的情況下，使用鈉可以帶來巨大的成本優(yōu)勢。相比之下，在SIB中，集電極從銅到鋁的替代可以對最終電池價(jià)格產(chǎn)生重要影響。

此外，在陽極處使用鋁箔還可以提供其他優(yōu)點(diǎn)，如減少電池重量、減少過放電問題和更安全的電池運(yùn)輸。

對于陰極材料，在容量方面已報(bào)道了令人興奮的進(jìn)展，但平均工作電勢是一個(gè)有待優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)，始終與增加的材料密度相結(jié)合，以減少對昂貴電解質(zhì)的需求。

對于陽極，石墨已被證明是LIB中非常合適的材料，但其對鈉離子的儲(chǔ)存能力較差。通常提出的替代方案—硬碳—很容易合成，但單位質(zhì)量和體積的鈉含量低于鋰。此外，硬碳密度較低，這增加了對耦合電池材料的需求和成本，尤其是電解質(zhì)。

因此，具有改進(jìn)的電化學(xué)性能和更高密度的優(yōu)化硬碳可能會(huì)提高SIB的競爭力，但通過使用例如硬碳支持高體積和重量容量存儲(chǔ)材料的復(fù)合電極，這些電池的成本可能會(huì)大幅降低。

此外，SIB之所以有優(yōu)勢不僅僅與避免使用鋰有關(guān)，還因?yàn)榭梢员苊馐褂免捲?，在層狀氧化物中使用鈷被認(rèn)為是鋰離子儲(chǔ)存的較優(yōu)選擇，但在鈉離子儲(chǔ)存中不需要。盡管約三分之二的鋰儲(chǔ)量集中在南美洲，但這些儲(chǔ)量的規(guī)模足以大幅提升電動(dòng)汽車的產(chǎn)量，而鈷的供應(yīng)已經(jīng)面臨壓力。

盡管增加使用貧鎳/鈷材料將減少對鈷的需求，但對鋰的需求將保持在相同水平，電池成本將大幅增加。因此，SIB可以成為未來儲(chǔ)能解決方案的一部分，但其競爭力(如電化學(xué)性能)仍有待提高，可能需要通過優(yōu)化材料。不過，鋰和鈷供應(yīng)短缺將使SIB成為更具吸引力和成本競爭力的替代方案。

《鈉離子電池先進(jìn)技術(shù)及應(yīng)用》針對鈉離子電池關(guān)鍵材料的基礎(chǔ)研究與高性能鈉離子電池的制備技術(shù)進(jìn)行了探索。書中從各種材料的機(jī)理研究、改性研究和應(yīng)用研究三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并介紹了多種研究技術(shù)，包括同步輻射技術(shù)、中子衍射技術(shù)和電化學(xué)原位測試技術(shù)等，從微觀到宏觀揭示了不同材料的作用機(jī)制與發(fā)展前景。 總結(jié)了鈉離子電池工業(yè)化在經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、資源和技術(shù)等方面的優(yōu)勢。