1.為適應可再生能源某時段內大量產生的特點，儲能設備應具有大能量密度和低自放電；

2.為適應可再生能源瞬時產生的特點，要求儲能設備具有大倍率充放電的能力；

3.具備大的溫度范圍下工作的能力，對工況要求低；

4.設計大規(guī)模儲能設備需要考慮到廢棄成本，不應在產品廢棄時產生更多花費。

 

目前考慮用于ESS的儲能體系有鉛酸電池，鋰離子電池和鈉離子電池；鉛酸電池成本低，但是能量密度太低會制約它的應用；鋰離子電池能量密度高，但考慮到地球的鋰儲量和成本，必須有相應的鋰資源回收利用系統(tǒng)支持。其他儲能體系如超級電容器，功率足夠大，但是能量密度低而且自放電快；要采用液流電池的話，其整體的能量密度還需要在進一步提高。鈉離子電池中的鈉儲量豐富價格低廉，原料易得，早在1980年NGK公司已經成功的在世界200多個地區(qū)應用高溫鈉硫電池（HT-NSB），總設計能量達到3700MWh。但需要300°C的工作環(huán)境來保持電解質流動性，帶來了安全隱患和腐蝕的問題。2011年NGK公司的安全事故，打擊了人們對高溫鈉硫電池的熱情，當然也讓室溫鈉離子電池又一次進入大眾的視野。

 

【成果簡介】

 

近日，浙江大學梁成都，凌敏，中南大學鄭俊超（共同通訊）在Energy Environ. Sci.上發(fā)表綜述，題為Exploring competitive features of stationary sodium ion batteries for electrochemical energy storage（作者Tiefeng Liua,c, Yaping Zhang等），文章介紹大規(guī)模儲能系統(tǒng)（ESS）的規(guī)模和需求特點，并詳細的討論了鈉離子電池適用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)的原因，總結了鈉離子電池相關材料的研究進展。就算沒錢搞儲能，一文入門鈉離子電池也是絕對值得一看。

 

【研究亮點】

 

本文總結了幾個關鍵因素，告訴你為什么大規(guī)模儲能選鈉電？

1.低廉的資源-前驅體材料價廉易得，滿足對規(guī)模供給和低價的需求；

2.高的倍率性能-能夠適應響應型儲能和規(guī)模供電；

3.工況要求低-能夠滿足所有氣候條件下應用，不完全依賴溫度調節(jié)設備；

4.可回收-避免環(huán)境污染和資源浪費，實現回收再利用的閉環(huán)。

下面將分這四大板塊進行詳細論述。

 

鈉離子電池優(yōu)勢一：性價比高

 

這年頭搞儲能設備，規(guī)模一大就發(fā)愁，錢從哪來？因此性價比高的鈉電就變成了香餑餑，圖2展示了電池成本的主要來源和比例，說明電池多少錢主要取決于選擇的電極材料、有機電解液和隔膜，鈉離子電池的配件相應的比鋰離子電池要便宜，另外鈉的化合物可以作為電極材料，這也是降成本的一個主要方向。

 

鈉源廣泛：鈉鹽，比如NaCl\Na2CO3,Na2SO4,都可以從海水和礦物中得到，遍地都是所以比鋰便宜多了。另外，以11.5KWh為例，如果用LiMn2O4正極配石墨負極用于鋰離子電池，成本為$1022美元，其中鋰大約占~4.3%，如果相應的采用錳基正極，鈉只要$4.57美元，足足省了$38.95美元，也就是說如果把鋰電換成鈉電，光正極成本就能降約~4%。同樣的道理，電解質鹽也能降1%左右。

 

過渡金屬：過渡金屬元素是電極材料的關鍵，相對來說Fe\V \Mn是便宜的，但是因為鋰離子（0.76A）和鐵離子（III）（0.645A）的半徑比較接近，在層狀LiFeO2中容易發(fā)生混排，所以鋰離子電池正極適合選擇磷酸鹽材料，相應的制備成本會高一些。對于鈉離子（1.02A）來說，就沒這個問題。NaFeO2的O3相層狀氧化物做鈉電電極，利用Fe3+/Fe4+氧化還原點對反應，容量達到85mAh/g，類似的 Na0.44MnO2，P2-Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2，P2-Na7/9Cu2/9Fe1/9Mn2/3O2也具有非常好的電化學性能。因此，Fe/Mn/V 基電極材料能夠進一步降低鈉離子電池的成本，圖3是一些過渡金屬的電化學性能舉例。

 

 

圖3  (a) Na/α-NaFeO2 電池的初始充放電曲線；(b) Na/Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 電池的倍率性能；(c) Na7/9Cu2/9Fe1/9Mn2/3O2 電極在 0.1 C下的充放電曲線；(d) Na3V2 (PO4) 2O2F3 納米復合材料在 2.0-4.3 V 之間，電流密度64 mA/g下的充放電曲線；(e) Na4MnV (PO4) 3在 2.5-4.3 V 之間的首次充放電曲線；(f) 不同材料的計算電壓（ Na 電壓/Li 電壓）

 

有機源材料：與無機材料相比，有機材料作為鈉離子電池電極材料有幾個優(yōu)勢：1.相比于無機材料，有機材料具有可持續(xù)性，對環(huán)境友好，通過天然材料由簡單的化學/熱處理就可以制得，取材廣泛，原料易得，可以大批量制備。2.天然的有機原料含有豐富的C、H、O、N、S元素，不需要在做改性處理；3.有機的材料能夠和導電碳材料通過共軛作用，形成鍵合提升倍率性能并降低化合物溶解性從而延長使用壽命。

 

低成本輔材選擇策略：鈉離子電池中的集流體和隔膜相較于鋰離子電池價格更低。價格更高的傳統(tǒng)鋰離子電池PP隔膜對于鈉離子來說不適用了，而用于鈉離子電池的玻纖隔膜則具有價格優(yōu)勢。另外，鋁和鈉不會形成合金，因此可以用鋁箔取代銅箔作為負極集流體。