钠离子电池的主要挑战

纳享新材 2024-05-16

钠离子电池和锂离子电池同时发展起来，但是由于钠离子电池的电化学性能低于锂离子电池，锂离子电池得到迅速发展，而钠离子电池缓慢发展。由于绿色可持续发展的概念，钠离子电池重登舞台，且锂资源储量有限，而锂资源却资源丰富，因而钠资源的高储量低成较好的缓解锂资源的储备短缺问题。

电池背景

钠离子电池和锂离子电池同时发展起来，但是由于钠离子电池的电化学性能低于锂离子电池，锂离子电池得到迅速发展，而钠离子电池缓慢发展。由于绿色可持续发展的概念，钠离子电池重登舞台，且锂资源储量有限，而锂资源却资源丰富，因而钠资源的高储量低成较好的缓解锂资源的储备短缺问题。在了解了钠离子电池的背景后，必须学习一下其工作原理，才能跟深入理解其目前的挑战。

钠离子电池的原理

钠离子电池的关键主城：2种钠嵌入型的正极材料和负极材料、电解液、隔膜。钠离子电池工作原理：充电时的钠离子从正极材料中脱出，且经过电解液和隔膜后嵌入到负极材料，同时电子经外电路从负极流向正极。其中放电过程和充电过程相反。钠离子电池的工作原理和锂离子电池基本类似（摇椅式电池）。钠离子电池正极和负极材料在钠离子电池中起到关键因素，电解液/隔膜主要与正极和负极材料进行选择匹配使用，因此，正极和负极材料对电池的性能指标具有决定性影响。

钠离子电池分类

按照正极材料的晶体结构方式分类，钠离子电池分为氧化物类（层状结构和隧道结构）、普鲁士蓝类、硫酸盐类、氟化磷酸盐类、磷酸盐类、有机化合物类。目前层状过渡金属氧化物、聚阴离子类和普鲁士蓝类3种技术路线比较热门，与锂离子电池的正极材料相似，绝大部分钠离子电池正极材料包含可变价的过渡金属元素，其中过渡金属元素在不同的晶体结构中氧化还原电势表现也截然不同，可得失电子数也不一样。

下面为3种技术路线的钠离子电池正极材料的基本电化学参数。其中层状氧化物类的制备方式简单，且容量和电压较高，它作为钠离子电池的主要正极材料，由于比容量 / 能量密度高 / 成本低的优势，使其成为主流的钠离子电池中应用性最强的一款电池。

钠离子电池正负极材料的挑战

电池比能量主要由正负极材料性能影响。目前储钠材料中最理想的负极材料是硬碳，那么合适的正极材料对电池比能量的改善影响非常大。储能正极材料的选择条件：比容量高、工作电压高、原料资源丰富、结构稳定性好，目前有氧化物、聚阴离子类、普鲁士蓝。

氧化物材料：三维隧道（Na0.44MnO2）、P2 层状（Na0.67MO2）和 O3 层状(NaMO2)。其中三维隧道结构材料比容量可达120mAh/g，电压达到3V左右，与负极硬碳构成钠离子电池，其实际能量密度估计为 110 Wh/kg左右，同其结构稳定和热稳定性好，非常理想的储钠正极材料。但该材料属于半充电态，其存在的挑战为首周充电比容量低。P2层状材料长循环过程中结构稳定性好，容量保持率高，可实用开发的正极材料。O3型层状材料循环稳定性不佳，需要改善，目前正在寻找最适合的元素，通过掺杂的方式来提高它的循环稳定性。

聚阴离子类材料：NaFePO4、Na4Fe3(PO4)2P2O7 、Na3V2(PO4)3和Na3V2(PO4)2F3 等。橄榄石型NaFePO4由于锂电池的成功运用，将其作为首选研究的材料，但是橄榄石型NaFePO4在高温下结构稳定差，高温固相法无法将其合成，一般通过化学和电化学转换法获取，它的比容量达到140mA·h/g左右，平均电压3V左右，与负极硬碳构成钠离子电池，其实际能量密度估计为120 W·h/kg左右，但由于隧道空间较小，大体积的钠离子在其中脱嵌时会产生非常大的体积变化，长循环性能有待验证。同时由LiFePO4化学和电化学的方式制取的NaFePO4，其合成方法在规模化中的工艺复杂性和合成成本必然高，此材料的应用挑战是寻找橄榄石型NaFePO4的最佳合成方法。

普鲁士白材料： 由于普鲁士蓝材料具有较大隧道结构，有利于充放电过程中钠离子的脱嵌。其中此材料具有比容量高（140 mA·h/g）、电化学动力学快、循环稳定性好、成本低等优点。其平均电压可达3.4 V左右，与负极硬碳构成钠离子电池，其实际能量密度为和145 W·h/kg左右。虽然优点较多，但此材料的挑战为规模化制备的欠缺。

钠离子电池产业链不完善的挑战

目前钠离子电池主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜构成，还有关键辅材：铝箔集流体、导电剂、极耳、粘结剂、溶剂和外壳组件等。钠离子电池组由多个电池模组，它们以串并联形式组成而成，其中也有采用单体电池通过 CTP 、JTM 、刀片电池等集成技术制成。除此以外，电池组还有 BMS（电池管理系统）和各种机械部件（连接片和外壳等）。

由于钠离子电池的产业化发展正处于初级阶段，其相关产业链发展不完善。在正负极材料方面，达到钠离子电池的电池级原料（碳酸钠、氧化铁）无成熟商业化，而负极由于受到碳源无主流的原料产品限制，在电解液方面，钠盐还无成熟商业化产品，但是钠盐的合成相对简单，实现产业化的可能性强。在钠离子电池领域，其正负极材料和电解液限制较大，其余原辅材料皆可共用。在下游的电池组方面，由于结构上与锂离子电池相同，只需要将BMS针对钠离子电池充放电特性重新设计，只涉及软件和芯片方面。

本文内容来源于：纳享新材，责任编辑：胡静，审核人：李峥