什么是鈉離子電池？為什么鈉離子電池有望代替鋰電池？
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-05 16:36
點(diǎn)擊量：次
南京理工大學(xué)夏暉教授與中外團(tuán)隊(duì)協(xié)作，開(kāi)創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控辦法，在錳基正極材料研討方面獲得重要進(jìn)展，使低成本鈉離子電池有望代替鋰離子電池，相關(guān)成果宣布在最新一期《自然·通訊》上。鈉資源豐富，挖掘費(fèi)用僅為鋰的百分之一，因此鈉離子電池的研發(fā)成為科研人員爭(zhēng)相“開(kāi)墾”的范疇。而層狀結(jié)構(gòu)的錳酸鈉正極材料具有理論容量高、價(jià)格低廉及來(lái)歷廣泛等利益，使之成為鈉離子電池正極材料的熱門(mén)研討目標(biāo)。
夏暉教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)控辦法，與中科院物理所谷林研討員及美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校孟穎教授協(xié)作，在水鈉錳礦層狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，成功制備出兼具大層間隔與高鈉離子含量的層狀納米正極材料。
這種正極材料制成的電極比容量達(dá)到211.9毫安時(shí)每克，而現(xiàn)在市面上流通的鋰電池正極材料比容量約為140毫安時(shí)每克。
充放電過(guò)程中，這種正極材料結(jié)構(gòu)安穩(wěn)無(wú)相變，體積改變僅為2%，循環(huán)充放電1000次后，比容量堅(jiān)持率高達(dá)94.6%，而電池職業(yè)一般的比容量堅(jiān)持率規(guī)范約為80%。鈉是地球上僅次于鋰的第二輕的金屬元素，從元素周期表中來(lái)看，鈉與鋰屬于同一族元素，它們的化學(xué)性質(zhì)相似，因此理論上鈉也可以像鋰一樣用來(lái)做電池。當(dāng)然了，鈉的原子半徑比鋰要大很多，因?yàn)殁c原子比鋰原子要多8個(gè)電子，所以自然長(zhǎng)得很胖。一旦長(zhǎng)胖，就會(huì)有很多麻煩，比如它不能像鋰那樣嵌入到石墨中，而且它比鋰要重很多，使得單位質(zhì)量的電池儲(chǔ)能就要比鋰少。
但是，鈉有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)——鈉元素在地球上的含量非常高，它在地球上的含量是鋰的幾千倍。我們吃的食鹽里就有大量的鈉，海水中也有非常多的鈉。正因?yàn)楹渴重S富，所以鈉比鋰要便宜很多。在市場(chǎng)上，作為鋰原料的碳酸鋰價(jià)格每噸需要幾萬(wàn)元；而作為鈉原料的氯化鈉的價(jià)格每噸只要幾千元。所以，作為電池來(lái)說(shuō)，鈉電池與鋰電池相比的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是便宜，這對(duì)于產(chǎn)業(yè)化來(lái)說(shuō)是一個(gè)非常核心的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)界最關(guān)心的是成本。
當(dāng)然，成本優(yōu)勢(shì)不等于技術(shù)優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵還要看鈉是不是真的可以做電池。電池的正極材料、負(fù)極材料、電解液是三個(gè)基本的組成部分，這些對(duì)鈉電池來(lái)說(shuō)都沒(méi)有原則性的困難。所以鈉電池是可以存在的。以鈉離子電池的負(fù)極材料為例，可以做負(fù)極的材料有很多種，研究的比較多的主要是硬碳材料。雖然硬碳的儲(chǔ)鈉機(jī)理目前還沒(méi)有定論，而且不同的人做出的電池負(fù)極性能差異比較大，但這只是工藝問(wèn)題，總有一天能做到標(biāo)準(zhǔn)化的。
實(shí)際上，鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池沒(méi)有太大的差別，利用的是鈉離子在正負(fù)極之間嵌脫過(guò)程實(shí)現(xiàn)充放電。充電時(shí)，鈉離子從正極脫出經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，同時(shí)電子補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到負(fù)極，保證正負(fù)極電荷平衡。放電時(shí)則相反，鈉離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極。在正常的充放電情況下，鈉離子在正負(fù)極間的嵌入脫出不應(yīng)該破壞電極材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)（當(dāng)然在實(shí)際情況下可能會(huì)產(chǎn)生一定的記憶效應(yīng)，也可能導(dǎo)致電極材料的老化）。
那么，鈉離子電池有技術(shù)優(yōu)勢(shì)嗎？有的人宣稱在原理上，鈉離子電池的充電時(shí)間可以縮短到鋰離子電池的1/5——雖然目前這方面的公開(kāi)數(shù)據(jù)并不是很充分，于是只能說(shuō)這是潛在的優(yōu)點(diǎn)。也有相關(guān)資料宣稱，鈉離子電池壽命超過(guò)10年，而通常鋰離子電池使用壽命只有3-4年，不過(guò)對(duì)于這一點(diǎn)是存疑的，據(jù)硅谷動(dòng)力君調(diào)研，鈉離子電池的主要問(wèn)題正是循環(huán)壽命不高，所以這是一個(gè)爭(zhēng)議點(diǎn)。
