陈立泉院士支持发展的钠离子电池有何特点，应用如何？

前言

2021年1月，在第七届中国电动汽车百人会论坛上，中国工程院院士陈立泉强调固态电池的同时表示现在就应该关注钠离子电池的发展。他呼吁，固态电池要大干快上，引领电动中国；钠离子电池并驾齐驱，助推能源互联。

钠离子电池的工作原理及特点

钠离子电池具有与锂离子电池相似的工作原理和储能机理。 相类似的充放电机制：充电过程中，正极材料发生氧化反应，失去电子，并脱出钠离子；电子通过外电路到达负极，同时钠离子也经过电解液迁移到负极；负极材料得到电子，并嵌入钠离子，发生还原反应。放电过程与充电过程相反。 相似的嵌插化学性质：钠与锂属于同主族元素，物理与化学性质相近。锂离子和钠离子可以在相似的材料结构中进行可逆的嵌入与脱出。

钠离子电池工作原理示意图

随着研究的不断深入，研究者发现钠离子电池不仅具有钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉、无发展瓶颈、环境友好和兼容锂离子电池现有生产设备的优势，还具有较好的功率特性、宽温度范围适应性、安全性能和无过放电问题等优势。同时借助于正负极均可采用铝箔集流体构造双极性电池这一特点，可进一步提升钠离子电池的能量密度，使钠离子电池向着低成本、长寿命、高比能和高安全的方向迈进。

钠离子电池正负极材料

为了获得比能量高、循环寿命长和快速充放电能力强的先进钠离子电池，人们正致力于开发比容量高、循环性能好和倍率性能佳的储钠电极材料和离子电导率高、电化学窗口宽的功能电解液，并取得了重要进展。

首先，钠离子电池正极材料的选取原则是具有较高的氧化还原电位、较高的比容量、有利于钠离子嵌入脱出的晶体结构，并且还具有良好的结构稳定性、良好的离子电导和电子电导，且价格低廉、对环境友好。目前，有前景的正极材料主要有高容量的层状氧化物、高电位的氟磷酸盐和长寿命的磷酸盐。

其次，负极材料也是钠离子电池的关键要素,负责提供钠离子储存位点和低电位氧化还原电对，对电池的比容量和工作电压有直接影响。在表征钠离子电池正极材料的电化学性能时，大部分情况是以金属钠作为负极。但是由于钠枝晶的形成很容易导致电池内部短路，并且金属钠比金属锂更加活泼，也更容易与电解液发生副反应，导致电池快速失效。因此实际的钠离子电池不能直接应用钠金属作为负极。钠离子电池负极材料与Ｎａ＋反应机理大致包括嵌入、转换或合金化等反应。目前，可用的负极材料主要包括循环稳定性强的钛基层状氧化物和碳材料、比容量大的金属/非金属单质和低成本的金属化合物。

钠离子电池(A)负极和(B)正极材料

钠离子电池的应用

从产业需求推动而言，我国的储能市场为钠离子电池在中国的产业化创造了必要条件。陈立泉院士在2020年储能国际峰会中多次倡导要大力发展储能技术，促电动中国，保能源安全。他对我国储能行业的现状做了详细分析，指出2018年全国数据中心共耗电1609亿度电，占中国全社会用电量的2.35%；2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度电；随着5G基站建设进程加快，我国至少需要新建或改造1438万个基站，存在155GWh电池的容纳空间，对储能电池的需求必将大幅提升。面对巨大的储能市场，钠离子电池以其低成本、长寿命和高安全的诸多优势有望在低速电动车、电动船、数据中心、通讯基站、家庭/工业储能、可再生能源大规模接入和智能电网等多个领域快速发展，提升我国在储能技术领域的竞争力与影响力。

钠离子电池潜在应用领域

未来，如何通过优化制备工艺和电解质体系，匹配正负极材料，实现大容量、长寿命、高功率、低成本、高安全钠离子成品电池的构筑，使其切实在大规模储能中发挥作用，是其发展的一个重要方向。

参考资料：

李慧等.钠离子电池:储能电池的一种新选择

潘都等.钠离子电池正负极材料研究新进展

郭晋芝等.钠离子电池工作原理及关键电极材料研究进展

向兴德等.钠离子电池先进功能材料的研究进展

叶飞鹏等.钠离子电池研究进展

中国科学院物理研究所.钠离子电池：中国的机会