钠离子电池研究技术的发展论文

科学家们发现了钠离子电池（sib）所需要的成分，这有助于提高sib的性能，如充电速度。尽管锂离子电池目前很受欢迎，但由于锂不仅昂贵而且有限，人们预计锂离子电池将很快找到新能源。研究结果表明，SiB有可能成为锂离子电池的替代品。

在无机晶体结构数据库中对约4300种化合物进行了钠迁移能的高通量计算，该化合物确实表现出优异的高速率性能和循环耐久性；详细地说，该化合物表现出稳定的10C循环，其完全充电的速率仅为6分钟。/在室温下进行50次充放电循环后，放电和约94%的容量保持率。这些结果与钠离子电池的典型阴极材料相当或优于后者。

日本名古屋理工学院（Nitech）的研究人员已经证明，一种特殊的材料可以作为钠离子电池的高效电池组分，与锂离子电池在多个电池特性，特别是充电速度方面进行竞争。

研究结果发表在2018年11月的科学报告中，由Nitech高级陶瓷系助理教授Naoto Tanibata博士领导。

流行的锂离子电池有几个好处——它们是可充电的，应用范围很广。它们被用于笔记本电脑和手机等设备，以及混合动力和全电动 汽车 。电动 汽车 是解决农村污染和实现清洁可持续交通的重要技术，在解决能源和环境危机方面发挥着重要作用。锂的一个缺点是它是一种有限的资源。不仅价格昂贵，而且其年产量（技术上）有限（由于干燥过程）。考虑到对电池驱动装置尤其是电动 汽车 的需求不断增加，寻找锂的替代品的需求变得越来越迫切，锂既便宜又丰富。

由于多种原因，钠离子电池是锂离子电池的一种有吸引力的替代品。钠不是一种有限的资源——它在地壳和海水中都很丰富。此外，在适当的晶体结构设计下，钠基组分有可能产生更快的充电时间。然而，钠不能简单地与锂交换，锂用于目前的电池材料，因为它是一个较大的离子尺寸和略有不同的化学。因此，研究人员需要在大量的候选材料中，通过试错法寻找最佳的钠离子电池材料。

Nitech的科学家们已经找到了解决这个问题的合理而有效的方法。从晶体结构数据库中提取约4300种化合物，并对其进行高通量计算后，其中一种化合物获得了良好的结果，因此是钠离子电池组分的一个很有前景的候选化合物。研究人员发现，Na2V3O7具有良好的电化学性能以及晶体和电子结构。该化合物具有快速充电性能，能在6分钟内稳定充电，研究人员还证明了该化合物具有较长的电池寿命和较短的充电时间。

“我们的目标是解决大型电池在电动 汽车 等严重依赖长时间充电的应用中面临的最大障碍。我们通过一项搜索来解决这个问题，该搜索将产生足够高效的材料，以提高电池的速率性能。”

尽管Na2v3o7具有良好的特性和对钠离子电池的总体预期影响，但研究人员发现，在最后的充电阶段，Na2v3o7发生了劣化，这将实际存储容量限制在理论存储容量的一半。因此，在他们未来的实验中，研究人员致力于提高这种材料的性能，以便在整个充电阶段保持稳定。”我们的最终目标是建立一种方法，使我们能够通过计算和实验相结合的方法来有效地设计电池材料，”Tanibata博士补充道。

文献引用：

Naoto Tanibata、Yuki Kondo、Shohei Yamada、Masaki Maeda、Hayami Takeda、Masanobu Nakayama、Toru Asaka、Ayuko Kitajou、Shigeto Okada。纳米管结构的Na2V3O7作为钠离子电池的阴极材料，具有高速率和稳定的循环性能。科学报告，2018年；8（1）doi:

7月18日开始，河南郑州遭遇极端强降雨天气，这期间一则新闻引起了不少人的注意：那是一辆被水淹没了半个车身的新能源车，在水中犹如潜水艇一般前进。最终，车辆成功开出淹水区。

元素特性造就锂的火热

新能源车能够在深水区通行的原因，其实很好解释：因为其不需要像燃油车一样，从外界的空气中获取氧气，来作为释能反应所需的氧化剂。在新能源车电池包内部，离子在阴极和阳极之间穿梭，产生电流释放能量。因此，新能源车的“高压系统”可以做到和外界环境完全隔绝，普遍达到IP67的防水标准，即能够保证在1米的水深下30分钟不漏水。

但新能源车的“低压系统”往往不具备如此优秀的防水性能，在水中容易出现短路等问题，所以仍然不宜在没过轮胎的深水区域行驶。

新能源车以其相对于燃油车更优秀的涉水性能，在公众面前狠狠“秀”了一把。而正如行业中流传的一句名言“得电池者得天下”一样，动力电池这一占据了新能源车四成左右制造成本的核心部件，也正处在发生巨大变革的风口上。

这让连续4年拿到动力电池市占率全球冠军的宁德时代仍不敢有一丝松懈，其近期发布了最新研发的钠离子电池。那么，为何作为锂离子电池巨头的宁德时代，要在此时发布钠离子电池？它和传统的锂离子电池相比又具有哪些优势？动力电池的未来究竟在何方？

其实，科学界对于钠电池的研究，几乎是和锂电池同时起步的。两者都始于上世纪60年代末冷战与石油危机背景下，人们对于新型储能材料的迫切需要。

初代的锂电池属于锂金属电池，与现在的锂离子电池不同。其在充电过程中析晶效应极其严重，很容易造成内部短路，所以基本上都是不可充电的电池。

而离子电池的本质，是金属元素以离子态在正极与负极之间来回穿梭，在这个过程中得到和释放电子，从而形成电流。金属离子只是电子的“搬运工”，这就让正负极材料几乎没有损耗，实现非常高的循环寿命。这是现在充电电池的主要思路。

而一个理想的充电电池，需要达到尽可能小的体积和重量，并存储和搬运更多的能量。所以从元素周期表中来看，要想成为好的能量载体，原子的相对质量要小，得失电子能力要强，电子转移比例要高。地球上最轻的金属—锂就成为了制造电池最为理想的材料。

与此同时，锂的同族元素钠和钾也成为了研究的对象。但因为钠原子比锂原子多了8个电子，钠的原子半径比锂要大得多。这就使得它在正负极材料之间嵌入和脱出时，要占用更大的空间，需要用到比锂离子电池正负极嵌入孔位更大、且更为坚固的材料。

而且它比锂要重得多，这使得钠电池的储能密度比锂电池低。这一系列的问题，让钠离子电池在电池研究的浪潮中一度被人们遗忘。而锂电池则在1980年代末迎来了技术突破，以锂离子为基础的“摇椅电池”替代了此前的锂金属电池体系，在短短的几十年内彻底占领了消费电子市场，并成为了如今新能源车动力电池的主流解决方案。

“储能耗尽”担忧

但50年前第一批研究锂电池的科学家们大概不会想到，地球并不是一个锂资源丰富的行星。地壳中锂的含量仅占，而且70%都在南美洲，存在分布不均的问题。

类似的问题是，锂离子电池阴极的另一种不可或缺的元素—钴的情况也不容乐观。其主要分布于刚果（金）（52%）和澳大利亚（17%），占地壳质量为。在全球范围内，锂电池的产量不断冲向新高、锂电池整体价格大幅下降的背景下，用于生产锂电池电极的原材料价格却反而快速飙升；“储量耗尽”正在成为很多业内人士真真切切的担忧。

锂离子电池面临着一个绝大多数的商品永远不会遇到的挑战：随着产量的提升，价格不仅无法持续下降，反而可能急剧升高。这样的局面，让造一台车就要用掉相当于数百个手机电池原料的新能源车企如坐针毡。

所以近年来，各大新能源车企在造车之外，干得最多的事大概就是降低电池包中锂和钴的含量，收购上游矿产开采企业的股份，并大力研发“锂”之外的下一代储能体系。

在这样的背景下，早年饱受冷落的钠离子电池，在2010年后一跃成为了研究热点。和储量稀少的锂不同，钠在地壳中的质量占比为，是锂的400倍。作为我们日常餐桌上食盐的主要成分，氯化钠的价格更是只有碳酸锂的1/10不到。

“钠锂混搭”

中国作为世界最大的新能源车市场，钠离子电池研究也处于世界领先地位。在宁德时代之前，中科院物理所旗下的中科海钠研究的钠离子电池在去年就已投入量产，只不过能量密度仍然较低，在145Wh/kg左右。

而宁德时代第一代钠离子电池的电芯单体能量密度达到了160Wh/kg。虽然160Wh/kg的能量密度在动辄300Wh/kg的三元锂电池面前实在算不上高，甚至比磷酸铁锂电池还要低一些，但这已经是全球范围内钠离子电池储能密度的最高水准。

另外，宁德时代的钠离子电池在常温下充电15分钟，电量可达80%以上；而且在-20摄氏度低温环境中，也拥有90%以上的放电保持率，远好于三元锂电池在这一条件下70%不到的水平。

钠离子电池同样能通过业界最为严苛的针刺测试，基本上可以看作是磷酸铁锂电池的“快充”和“低温性能增强”版本。辅以极高的安全性和成本优势，钠离子电池可以作为磷酸铁锂电池的替代品，广泛应用于低端电动车、商用电动公共 汽车 甚至两轮电瓶车等诸多领域。

而宁德时代在发布会上，也提出了钠离子电池与三元锂电以2 1比例混搭的技术方案，通过优秀的BMS（电池管理系统）逻辑，精准控制两种电池的放电水平曲线，使钠离子电池搭载在对续航要求更为严苛的高端电动车型上也成为可能。

多元技术方案浮现

根据国家提出的2030年碳排放达到峰值、2060年实现碳中和的构想，对西部太阳能、风能等清洁能源的需求也在进一步扩大。但清洁能源不像火电可以根据负载动态调节发电量，如果发出来的电没有及时用掉，就只能当作“弃电”处理。

据了解，2018年，我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度，这实在是巨大的浪费。为了能将清洁能源发出来的电稳定接入电网，就必须建立大型的“储能电站”。

以前段时间在广东阳江建成的全国最大的抽水蓄能电站为例，其基本原理就是将城市用电波谷时段多余的电量用于抽水，将水抽到高处后，再在用电波峰时段将水放出发电。这可以看作是一个巨型的充电电池，在电网中承担调峰、填谷、紧急事故备用等任务。

而这样的任务交给成本低廉、能量密度相对较高且对环境温度不敏感的钠离子电池，同样可以完成。

那么，钠离子电池就是新能源车的未来了吗？其实，包括三元锂电池、磷酸铁锂电池在内，现在新能源车主流的动力电池方案都属于“液态电池”范畴，即需要液态的“电解液”作为离子在其中畅行无阻的介质。

而其实，动力电池还有另一种即将投入市场的“固态电池”方案，顾名思义，就是采用常温下处于固态的电解质作为介质传递离子。一般认为，液态电池的储能密度上限在350Wh/kg，而固态电池的能量密度有望达到1000Wh/kg。

固态电解质十分稳定，基本根除了热失控爆炸的风险，被业界认为是未来动力电池的发展方向。国内多家电池厂商也已经在此赛道布局多年。目前关于固态电池新型材料的理论研究论文，也是遍地开花的状态。相信固态电池的时代离我们已经不远了。

先前，新能源车业界曾有过一个大胆预测，即新能源车全面取代燃油车的拐点，将在动力电池能量密度达到400Wh/kg后到来。目前世界上许多国家也都宣布，以2030年作为燃油车全面禁售停产的时间节点。

我想用宁德时代创始人兼董事长曾毓群在钠离子电池发布会上的一句话作为文章的结尾：“我们认为，电化学的世界就像能量魔方，未知远远大于已知。”相信人类终将攻克动力电池研发路上的种种难关，让世界全面进入清洁能源的时代。

作者 | 马点秋

看世界杂志新媒体出品