目前，新能源汽車的動力電池廣泛應(yīng)用鋰電池，如鎳鈷錳三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池，但中國鋰資源儲量僅占全球的20%，且開采難度大、成本高，中國鈷資源僅占全球儲量的1%左右，且分布較散；且鋰電池尤其三元材料電池有循環(huán)壽命低、安全性不足、成本偏高、充電速度慢等問題。以寧德時代為代表的國內(nèi)一線動力電池廠商基于戰(zhàn)略因素考慮，發(fā)布了全新的鈉離子動力電池，旨在打破資源局限和降低動力電池成本。

一

鈉離子含量

鈉元素是地殼中儲量第六豐富的元素，是地殼中鋰資源的上千倍（鋰的含量是相當(dāng)少的，只有0.0065%，而鈉的含量是2.75%，應(yīng)該說鈉的含量相當(dāng)多。），且地理分布均勻，成本低廉；同時，鈉離子化合物容易獲取、價格穩(wěn)定且低廉。

二

鈉離子電池基本原理

鈉離子和鋰離子屬于同一主族，所以鈉離子電池和鋰離子電池工作原理基本相似，都是搖椅式，也就是利用鈉離子在正負(fù)極之間嵌脫過程實(shí)現(xiàn)充放電。充電時,鈉離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，同時電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到負(fù)極，保證正負(fù)極電荷平衡。放電時則相反，鈉離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。在正常的充放電情況下，鈉離子在正負(fù)極間的嵌入脫出不破壞電極材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)。

三

鈉離子電池的正負(fù)極材料差異

大家都知道，現(xiàn)有的鋰離子動力電池的正極采用的是鎳鈷錳或磷酸鐵等材料，負(fù)極采用的是石墨材料。而鈉離子和鋰離子的核心差別在于正負(fù)極電荷載體不同，主要是由于鈉離子半徑大于鋰離子，相比鋰離子，鈉離子就是個大胖子，這就意味著在電池的運(yùn)行過程中，鈉離子在材料中的嵌入和脫出對材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動力學(xué)提出了更高的要求。也導(dǎo)致鈉離子無法嵌入石墨材料，且鈉離子實(shí)現(xiàn)可逆充放電不依賴鎳鈷錳等稀缺金屬，因此鈉離子電池的正負(fù)極材料和電解液等都需要做出相應(yīng)改變以適應(yīng)鈉離子電池。不過對隔膜影響最小，不影響目前隔膜體系。

在正極材料方面，目前具有潛在商業(yè)化價值的有普魯士白和層狀氧化物兩類材料，克容量已經(jīng)達(dá)到了160mAh/g，與現(xiàn)有的鋰離子電池正極材料相當(dāng)。普魯士白屬于普魯士藍(lán)類化合物，由于含有高鈉（普魯士藍(lán)只含一個鈉），呈現(xiàn)白色，所以稱為普魯士白，是含銅、鐵、錳便宜金屬的正極材料。普魯士白具有開放的骨架結(jié)構(gòu)、豐富的氧化還原活性位點(diǎn)和極強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于普魯士白的離子通道和晶格間隙很大，很容易進(jìn)行可逆的離子嵌入/脫出反應(yīng)，因是少數(shù)能夠容納更大堿性陽離子如(Na離子和K離子)的正極基體材料之一。同時普魯士白突出的優(yōu)勢以及特點(diǎn)在于其原料成本低廉、獲取簡單。

在負(fù)極材料方面，常用的石墨雖然便宜好用，但其與鈉離子性相不合，鈉離子嵌入后易失去電化學(xué)活性。硬碳材料由于具有豐富的碳源、低成本、無毒環(huán)保，且儲鈉電位低而被認(rèn)為是最可能被實(shí)用化的鈉離子電池負(fù)極材料。硬碳材料通常被認(rèn)為是難石墨化的碳材料的統(tǒng)稱，其微觀結(jié)構(gòu)是由彎曲的類石墨片堆疊的短程有序微區(qū)，各微區(qū)隨機(jī)無序堆疊留下較多納米孔洞。由于其往往具有較大的層間距(通常大于 0.37 nm)， 較多的納米孔洞，以及較多的缺陷位點(diǎn)，因而可以儲存較多的鈉離子，具有較高的比容量。寧德時代創(chuàng)新開發(fā)了獨(dú)特孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳結(jié)構(gòu)，克容量可達(dá)到了350mAh/g，還具備優(yōu)異的循環(huán)性能，與現(xiàn)有的石墨材料是相當(dāng)?shù)摹?/span>

電解液方面，鈉離子電池的電解液溶質(zhì)用六氟磷酸鈉來替代六氟磷酸鋰，集流體采用更便宜的鋁箔來替代銅箔。制造工藝上設(shè)備可以跟鋰離子電池產(chǎn)線兼容。

四

鈉離子電池的性能差異

說到電池的性能，主要有能量密度、充放電性能、低溫性能和循環(huán)壽命等。（1）鈉離子電池的電芯能量密度要比磷酸鐵鋰低一些，普遍在140Wh/kg左右，不過寧德時代的鈉離子電池的電芯能量密度已經(jīng)達(dá)到了160Wh/kg，這是目前全球最高水平；同時在系統(tǒng)集成效率方面，也可以達(dá)到80%以上。（2）充放電性能方面，寧德時代也可以做到在常溫下充電15分鐘，電量就可以達(dá)到80%，具備了快充能力；在零下20℃低溫的環(huán)境下，仍然有90%以上的放電保持率。（3）不過在低溫性能和快充方面具有明顯的優(yōu)勢，特別是在高寒地區(qū)高功率應(yīng)用場景。（4）循環(huán)壽命方面，1C充/1C放的循環(huán)性可以大于6000次，3C充/3C放可以到3000次，所以鈉離子的循環(huán)性還是相當(dāng)不錯的。

除了公布第一代鈉離子電池之外，寧德時代還公布了AB電池系統(tǒng)解決方案。AB電池系統(tǒng)解決方案是將鈉離子電池與鋰離子電池同時集成到同一個電池系統(tǒng)里，并按一定的比例和排列進(jìn)行混搭、串聯(lián)、并聯(lián)、集成，后續(xù)通過BMS的精準(zhǔn)算法進(jìn)行不同電池體系的均衡控制。

五

結(jié)語

鈉離子電池在低溫性能、快充以及環(huán)境的適應(yīng)性等方面擁有獨(dú)特的優(yōu)勢,與鋰離子電池相互兼容互補(bǔ)；所以多元化的技術(shù)路線也是新能源汽車這個產(chǎn)業(yè)長期穩(wěn)定發(fā)展的重要保障。鋰電池的發(fā)展為鈉離子電池發(fā)展提供基礎(chǔ)，研發(fā)、材料等可借鑒，甚至部分材料、設(shè)備等可通用。中國鈉離子電池在基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度方面都處于國際領(lǐng)先地位，具備先發(fā)優(yōu)勢。除新能源汽車產(chǎn)業(yè)可以應(yīng)用鈉離子電池以外，鈉離子電池以其低成本、長壽命和高安全的諸多優(yōu)勢有望在各類低速電動車、電動船、數(shù)據(jù)中心、通信基站、家庭/工業(yè)儲能、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網(wǎng)等多個領(lǐng)域快速發(fā)展，提升我國在儲能技術(shù)領(lǐng)域的競爭力與影響力。因此鈉離子動力電池未來發(fā)展可期。