大规模储能的潜在候选者：钠离子电池

近几十年来，锂离子电池技术的进步改善了全球的生活条件。锂离子电池(Lithium ion batteries，简称LIB)用于大多数移动电子设备以及电动车辆。然而，人们越来越担心可再生能源和智能电网的负载均衡，以及锂源的可持续性，因为锂资源的地球储量相对有限，这必将导致锂资源紧张和原材料价格飙涨。因此，单靠LIB能否满足小型和/或中大型储能应用不断增长的需求仍不清楚。为了缓解这些问题，最近的研究集中于替代能源储存系统。钠离子电池(Sodium ion batteries，简称SIB)被认为是最佳候选电源。

为什么是钠离子电池?

钠是地球上第四丰富的元素，其分布似乎是无限的。含钠前体的供应量巨大。与碳酸锂相比，资源丰富且生产碳酸钠的天然碱成本低得多，这为开发用作锂离子电池替代品的钠离子电池提供了令人信服的理由。

SIB的研究史

由于需要锂的替代品来实现大规模应用，近年来，钠离子电池引起了相当多的研究关注。其实，自1970年代和1980年代开始开发LIB时，就开始研究SIB，但由于LIB商业应用的快速发展和成功，SIB在很大程度上被放弃。此外，在这些年中，材料、电解质和手套箱的整体质量不足以处理钠，因此难以观察电极性能。

20世纪80年代，在锂离子电池商业化之前，一些美国和日本公司开发了全电池配置的钠离子电池，其中钠铅合金复合材料和P2型NaxCoO2分别用作阳极和阴极。尽管在300次循环中具有显著的可循环性，但平均放电电压低于3.0 V，这对于平均放电电压为3.7 V的碳/LiCoO2电池没有引起太多关注。

SIB和LIB的异与同

除了离子载体外，SIB和LIB的电池组件和电存储机制基本相同。就阴极材料而言，钠的嵌入化学与锂的嵌入化学非常相似，因此可以在两种系统中使用类似的化合物。

然而，SIB和LIB之间存在一些明显的差异。与Li+离子(0.76)相比，Na+离子的体积更大，这会影响相稳定性、输运性质和界面形成。钠(23 g·mol-1)也比锂(6.9 g·mol-1)重，并且具有更高的标准电极电位(钠vs SHE为-2.71V，锂vs SHE为-3.02V)。因此，SIB在能量密度方面总是达不到要求。不过，可循环锂或钠的重量仅占组件质量的一小部分，容量主要由用作电极的主体结构的特性决定。因此，原则上，从LIB到SIB的过渡不应产生能量密度较大差异的结果。此外，相对于Li/Li+，铝与锂发生低于0.1 V的合金反应，这表明铝可用作钠电池阳极的集电极。因此，铝作为SIB的阳极集电极是铜的一种经济高效的替代品。

因此，对SIB的研究可以借鉴LIB的研究经验但却无法完全移植，需要寻找适合SIB的材料，构建合适的SIB体系。

SIB比LIB成本更低吗?

对于这个问题，Christoph Vaalma等进行了研究论证。成本分析表明，用钠代替锂不会直接显著降低电池成本。然而，在锂短缺和相关价格上涨的情况下，使用钠可以带来巨大的成本优势。相比之下，在SIB中，集电极从铜到铝的替代可以对最终电池价格产生重要影响。

此外，在阳极处使用铝箔还可以提供其他优点，如减少电池重量、减少过放电问题和更安全的电池运输。

对于阴极材料，在容量方面已报道了令人兴奋的进展，但平均工作电势是一个有待优化的关键参数，始终与增加的材料密度相结合，以减少对昂贵电解质的需求。

对于阳极，石墨已被证明是LIB中非常合适的材料，但其对钠离子的储存能力较差。通常提出的替代方案—硬碳—很容易合成，但单位质量和体积的钠含量低于锂。此外，硬碳密度较低，这增加了对耦合电池材料的需求和成本，尤其是电解质。

因此，具有改进的电化学性能和更高密度的优化硬碳可能会提高SIB的竞争力，但通过使用例如硬碳支持高体积和重量容量存储材料的复合电极，这些电池的成本可能会大幅降低。

此外，SIB之所以有优势不仅仅与避免使用锂有关，还因为可以避免使用钴元素，在层状氧化物中使用钴被认为是锂离子储存的较优选择，但在钠离子储存中不需要。尽管约三分之二的锂储量集中在南美洲，但这些储量的规模足以大幅提升电动汽车的产量，而钴的供应已经面临压力。

尽管增加使用贫镍/钴材料将减少对钴的需求，但对锂的需求将保持在相同水平，电池成本将大幅增加。因此，SIB可以成为未来储能解决方案的一部分，但其竞争力(如电化学性能)仍有待提高，可能需要通过优化材料。不过，锂和钴供应短缺将使SIB成为更具吸引力和成本竞争力的替代方案。

《钠离子电池先进技术及应用》针对钠离子电池关键材料的基础研究与高性能钠离子电池的制备技术进行了探索。书中从各种材料的机理研究、改性研究和应用研究三个方面进行了详细的讨论，并介绍了多种研究技术，包括同步辐射技术、中子衍射技术和电化学原位测试技术等，从微观到宏观揭示了不同材料的作用机制与发展前景。 总结了钠离子电池工业化在经济、环境、资源和技术等方面的优势。