鈉離子電池可以代替鋰離子電池 是真的嗎？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-06-20 19:59
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鋰離子電池產(chǎn)品最先是在1990年代由索尼推出的，那時許多人都認(rèn)為鋰離子電池是可充電電池的一大突破：憑借其更高的工作電壓和更高的能量密度，鋰離子電池?fù)魯×水?dāng)時占據(jù)主導(dǎo)地位的鎳金屬氫化物電池（鎳氫電池NiMH）。此外，鋰離子電池的使用還促進(jìn)了便攜式電子設(shè)備的發(fā)展。如果沒有鋰電池，最新的Galaxy 智能手機(jī)的重量就可能達(dá)到現(xiàn)在手機(jī)重量的三倍，體積也將是現(xiàn)在的兩倍。
但是，近來，鋰離子電池開始“壓力山大”了。在更現(xiàn)代的便攜式設(shè)備和電動汽車的續(xù)航時間上，鋰離子電池的表現(xiàn)都并不能讓人真正滿意。另外，與汽油動力車輛相比，鋰離子帶來的安全問題也更為嚴(yán)重，尤其是有火災(zāi)的危險。
這種情況自然帶來了問題：接下來該怎么辦？會有什么新突破來解決這些問題呢？
更好的鋰化學(xué)電池
在我們回答這些問題之間，我們首先來談?wù)撘幌码姵氐膬?nèi)在機(jī)制。一個電池單元必須包含由兩個絕緣層分開的電機(jī)，通常稱為隔板，該結(jié)構(gòu)通常浸泡在電解液中。兩個電極必須要具有不同的電勢或不同的電動勢，最后兩者之間的電勢差就定義了電池的電壓。電勢較高的電極為正極，另一電極就為負(fù)極。
在放電過程中，電子通過外接的電路從負(fù)極流向正極，而帶電的原子或離子則在電池內(nèi)部流動，以保持電中性。在可充電電池充電時，這一過程就會倒過來。
鋰離子電池的能量密度是指單位質(zhì)量的電池材料能存儲多少能量，近幾年一直在以每年約5%的增長速度穩(wěn)定增長，在20年的時間里從90Wh/kg增長到了240Wh/kg，而預(yù)計這一趨勢還將繼續(xù)持續(xù)。這是由于電極和電解質(zhì)化合物和體系結(jié)構(gòu)中的漸進(jìn)改進(jìn)和最大充電電壓的增加；最近的便攜式設(shè)備電池電壓已經(jīng)從傳統(tǒng)的4.2V增長到了4.4V。
要在能量密度的繼續(xù)提高上面繼續(xù)獲得突破，電極材料和電解質(zhì)材料都需要進(jìn)一步的改進(jìn)。其中最大的即將實現(xiàn)的飛躍就是向正極中引入元素硫或空氣，以及使用金屬鋰作為負(fù)極。
鋰硫電池有望在鋰離子電池的基礎(chǔ)上實現(xiàn)能量密度的倍增，達(dá)到400Wh/kg；鋰-空氣電池的能量密度甚至有望達(dá)到鋰離子電池的10倍，可達(dá)3000Wh/kg。這主要是因為此種電池使用空氣作為一種非板載的反應(yīng)物，氧氣代替了電極中的元素，所以能極大地減少電池質(zhì)量。
鋰硫電池和鋰-空氣電池都在實驗室中得到了深入的研究，但其商業(yè)可行性還有待商業(yè)可用的原型設(shè)計的出現(xiàn)。在硫電極放電時，硫會溶解到電解液中，從而將電池與電路斷開。而且在充電時，鋰的量也會變少，這將嚴(yán)重影響到電池整體可逆性。
為了能將這一技術(shù)實用化，我們必須要獲得關(guān)鍵的突破：改善正極架構(gòu)以便更好地保留活性材料或者開發(fā)新的電解質(zhì)，這樣不會將活性材料溶解到其中。
而鋰-空氣電池也面臨著類似的困難，這些問題都是來自于電解液和空氣的反應(yīng)。另外，在這兩項技術(shù)中，鋰電極的保護(hù)還是一個有待解決的問題。
鈉能拯救世界？
上面提到的幾種電池中，鋰都是電池中的一種關(guān)鍵元素。盡管鋰確實是一種很豐富的元素，但是鋰的分布非常分散，采取難度較大，所以鋰還并未實現(xiàn)全球范圍的商業(yè)開采。所以目前只有在相對豐富的礦產(chǎn)中才能實現(xiàn)商業(yè)開采，目前世界上的大部分鋰都來自于高濃度的鹽湖的鹵水，其中大部分都位于南美洲的安第斯山脈。
除了相對困難的提取，在美國你到處都能買到6美元一千克的碳酸鋰，而因為一輛電動汽車所需要的碳酸鋰也不過3千克，所以到目前為止，鋰的成本還不是一個大問題。
鋰電池上的最大擔(dān)憂是地緣政治上的問題：每一個國家都在尋求能源獨立，從化石燃料過渡到鋰電池只是把能源依賴從中東轉(zhuǎn)移到南美洲而已。
取代鋰的一個可能的解決方法是使用鈉，畢竟地球上的鈉比鋰要豐富2000倍。
從電化學(xué)的角度來看，鈉和鋰是完全可以相互媲美的，所以鈉也是一個很好的候選者。鈉離子電池的研究近來也屢見報端，目前來看，一旦鈉離子電池實現(xiàn)商業(yè)化，性能方面應(yīng)該可以達(dá)到和鋰離子電池相當(dāng)?shù)乃健?/div>
盡管在成本和性能上，鈉離子電池并沒有什么本質(zhì)上的提升。但是這卻能給各個國家?guī)砀蟮淖灾鳈?quán)，讓它們依靠自己的資源生產(chǎn)電池。拿錳酸鈉來說，雖然憑借高理論容量和低廉價格等優(yōu)點一直是鈉離子正極材料的熱門研究對象，但存在關(guān)鍵性的技術(shù)難點。
一方面，錳酸鈉在充放電的過程中，因為自身材料的層間距狹窄，沒辦法讓差不多半徑大的鈉離子在層間遷移時順利通過，很容易“擠壞”正極材料本身的結(jié)構(gòu)；另一方面，就是層狀結(jié)構(gòu)中的鈉離子含量不足，性能指標(biāo)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠...光是這些技術(shù)難點，就足夠讓它的量產(chǎn)投入計劃止步。
二、鈉離子電池VS鋰離子電池
1.鈉離子電池成本較低
雖然實力不夠，但既然能霸屏，能和鋰離子較勁兒，就有它“錳”的理由。
和鋰離子電池比，鈉在地球上的含量更高，是鋰的幾千倍。含量豐富，也自然貴不到哪兒去，成本優(yōu)勢本就是產(chǎn)業(yè)屆最關(guān)心的一個因素。
2.鈉離子局限性：壽命&能量密度&安全性
但爭議最大的是壽命問題，鈉離子電池最主要的問題就是循環(huán)使用壽命不高。
理論上鈉也能做電池，但是因為它“長得胖”，比鋰原子多8個電子，所以它更重，單位質(zhì)量上的儲能相對就少。鈉離子電池的能量密度也只有鋰離子電池的一半以下水平，目前只能達(dá)到120瓦時/公斤。另外，鈉離子電池在移動場合中的使用條件也很苛刻，不論是從使用可提供的空間，還是電池本身的安全上都存在一定的局限性。
所以總的感覺下來，鈉離子電池有它自身的優(yōu)勢，資源儲備豐富，成本低，但是能量密度低、安全性不高還“長得胖”，壓根兒就不適合投入電動車生產(chǎn)。但是因為對它的研發(fā)從來沒停止過，一些問題實際上已經(jīng)取得了很大的突破。對之前提到的鈉離子正極材料層間距的問題，也有研究團(tuán)隊首創(chuàng)了結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)控方法，在水鈉錳礦層狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究出了所需的層狀納米正極材料，解決了之前提到的層間距和鈉離子含量不足的問題。
去年6月，國內(nèi)首輛鈉離子電池低速電動車已經(jīng)問世。近日，國內(nèi)自主研發(fā)的鈉離子電池也進(jìn)入量產(chǎn)階段，世界上首條鈉離子電池生產(chǎn)線投入運行，預(yù)計量產(chǎn)后的年產(chǎn)值能超過100億元。
其他公司也都取得了技術(shù)上的小突破。Durathon鈉鹽電池技術(shù)目前已經(jīng)在全球25個國家，建成了太陽能、風(fēng)電組合等儲能項目；比克電池對鈉離子電池的研發(fā)也進(jìn)入中試階段；東莞邁科已在鈉離子電池材料制作、平臺建設(shè)等方面獲得了突破性的進(jìn)展，新申請了發(fā)明專利2項。豐田新開發(fā)的鈉離子技術(shù)可有效提升電動車的續(xù)航里程，最大可達(dá)到驚人的1000公里，其中豐田新電池使用了鈉基化合物作為正極的鈉離子電池，電池產(chǎn)生的電壓高出鋰離子電池30%......
沒有萬能的良方
不管什么新興技術(shù)，在安全問題上都有和鋰離子電池一樣的顧慮。電池安全的主要威脅是易燃性溶劑類電解質(zhì)，但沒有它們，電池的電壓要達(dá)到2V都很困難。
事實上，因為水在高于2V的電壓下會分解稱氫氣和氧氣，所以3V量級的鋰電池和鈉電池中使用了昂貴易燃的碳酸酯溶劑來作為電解質(zhì)。其它的選項包括無溶劑電解質(zhì)，但卻不能提供足夠好的導(dǎo)電性能，無法應(yīng)用在高功率的應(yīng)用中，所以也沒能實現(xiàn)商業(yè)化。
幸運的是，現(xiàn)有的鋰離子電池技術(shù)出現(xiàn)意外起火的概率大約為4000萬分之一。盡管風(fēng)險并不能完全避免，但可以通過工程控制和保留式設(shè)計可以盡可能保證不出現(xiàn)事故。
種子，目前的鋰離子電池提供了相當(dāng)好的性能。新興的化學(xué)電池技術(shù)（鋰硫電池和鋰-空氣電池）有徹底改變便攜式能量儲存的應(yīng)用潛力，但這些技術(shù)都還處于實驗室研究階段，未來到底會如何發(fā)展還有待檢驗。
