鈉離子電池

鈉離子電池（SIB）是一種利用鈉離子作為電荷傳輸媒介的二次電池。其工作原理依賴于鈉離子在正負極間的遷移來實現充放電過程。該電池的構造包括正負極、電解質、隔膜、集流體、外殼等關鍵部分。評估其電化學性能的關鍵參數包括電壓、內阻、容量、庫倫效率、能量、功率以及倍率性能等。鈉離子電池的研究起源于20世紀60年代，1967年高溫鈉硫電池問世，但由于可靠性不足，研究重點轉向了室溫鈉離子電池，并持續探索其正負極材料。鈉離子電池根據電解質體系可分為固態、水系和非水系三種類型。它以其低成本、穩定的電化學性能、良好的熱穩定性和安全性而受到關注。

2018年，鈉離子電池首次被應用于低速電動汽車領域，顯示出在儲能和低速電動車領域的應用潛力，盡管目前仍處于產業化初期。知名的品牌制造商包括英國的Faradion公司、美國的Natron Energy公司和中國的北京中科海鈉科技有限公司等。

鈉離子電池的基本結構主要由正極、負極、含鈉離子的電解質、玻璃纖維隔膜、集流體及外殼等組成。

正極

在鈉離子電池的工作過程中，電子流入的一端稱為正極，其性能直接影響電池的整體性能。正極材料通常分為三類：層狀過渡金屬氧化物、聚陰離子型化合物和普魯士藍類化合物。其中，層狀氧化物因其生產工藝與三元鋰離子電池正極材料高度兼容，在鈉離子電池和鋰電正極企業如中科海納中得到應用。聚陰離子型化合物因其循環穩定性和高工作電壓，與儲能需求相契合。普魯士藍類化合物，作為一種無機顏料，主要在具有顏料背景的化工企業中使用。

負極

鈉離子電池的負極在充放電過程中負責存儲鈉離子。負極材料主要分為碳材料和非碳材料，后者包括鈦基材料、有機類材料和合金類材料。

電解液

鈉離子電池的電解液充當正負極間的橋梁，負責載流子在正負極之間的傳輸。電解液通常由溶劑、鈉鹽和添加劑組成，其成分對電池的能量密度、循環壽命和倍率性能等方面具有顯著影響。

鈉鹽成分包括高氯酸鈉（NaClO4）、三氟甲磺酸鈉（NaFSO3）、六氟磷酸鈉等；通常使用的溶劑是碳酸二甲酯（DMC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）以及乙二醇二甲醚（DME）等，這些溶劑可以是單一或多種的混合形式。

在鈉離子電池中，隔膜作為關鍵的非活性材料，主要作用是分隔正負極，防止直接接觸引發反應，并確保溶劑分子能夠滲透，允許溶劑化鈉離子快速通過。

理想的隔膜應具備良好的電子絕緣性、離子導電性、高機械強度、盡量薄的厚度、良好的化學惰性（不與電解液或正負極反應）以及優秀的熱穩定性。隔膜的性能對電池性能至關重要。例如，隔膜厚度影響電池能量密度，過厚降低能量密度，過薄則可能影響電池安全性。此外，隔膜的導電性也影響電池的倍率性能。

常見隔膜類型

市場常見隔膜有PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP隔膜以及陶瓷隔膜（常用玻璃纖維隔膜）等。隔膜孔徑一般在0.03-0.12μm之間，孔徑分布窄且均勻。

集流體：集流體用于收集和傳導電子，鈉離子電池通常使用鋁箔作為集流體，因為鋁的價格低于銅。

外殼結構：外殼作為電池的容器，保護內部材料。鈉離子電池外殼分為軟包和硬殼兩種。軟包電池通常采用鋁塑膜封裝，鋁塑膜由聚丙烯層、鋁箔層、尼龍層組成。聚丙烯層保證封裝可靠性及防腐蝕；鋁箔層增強結構強度，防止外部水汽滲入和內部電解液滲出；尼龍層防止外界力量對電池造成損害。硬殼電池通常采用鋁殼或鋼殼封裝。

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池相似。充電時，鈉離子從正極材料脫出，釋放電子，進入電解液，穿過隔膜，擴散至負極并嵌入活性物質中。正極活性物質因失去電子而電勢升高；負極活性物質因富鈉而電勢降低，整體電池電壓上升。電子通過外電路從正極傳至負極，參與氧化還原反應。

放電時，鈉離子從負極材料釋放，穿過電解液和隔膜至正極，電子通過外電路負載從正極傳至負極，正極電勢降低，負極電勢升高。

鈉離子電池的特點包括：

1. 相較于鋰離子電池，鈉離子電池無需使用鋰、鈷等高價稀有金屬，成本較低。

2. 鈉離子電池的運作原理與鋰離子電池相似，因此能夠利用現有的生產工藝和設備，無需進行額外的設備投資。

3. 鈉離子電池在電化學性能上表現出相對穩定性，且熱穩定性佳，其安全運行性能優于鋰離子電池。

4. 鈉離子電池具備優良的倍率性能，能夠滿足動態儲能和大規模供電的需求。

評價電池電化學性能的關鍵指標包括電壓、內阻、容量、庫倫效率、能量、功率以及倍率性能等。

電壓：電壓指標包括電動勢、額定電壓、開路電壓、放電電壓和終止電壓等。

- 電動勢：指鈉離子電池正負極間的平衡電位差。

鈉離子電池

- 開路電壓：指無外部負載時鈉離子電池的電壓。

- 工作電壓：指鈉離子電池在放電過程中的電壓。

內阻（EIS）：鈉離子電池的內阻是指在工作過程中，電流通過電池內部時遇到的阻力，包括歐姆內阻和極化內阻。

容量和比容量：鈉離子電池的容量是指在特定放電條件下，電池能夠釋放的電荷量，以C表示。容量受放電電流大小的影響。比容量是指單位質量或體積的鈉離子電池能夠釋放的電荷量。

庫倫效率：庫倫效率是指鈉離子電池放電容量與充電容量之比。在實際應用中，電池的庫倫效率通常低于100%。副反應是影響庫倫效率的主要因素，而自放電、電極活性物質的脫落、結塊以及孔隙收縮等因素也會影響電池的放電容量。

能量密度：鈉離子電池的能量密度是指電池所能輸出的電能總量。

功率：鈉離子電池的功率是指電池在單位時間內輸出的能量。

倍率性能：倍率性能是指鈉離子電池在不同電流密度下的放電性能。

電網儲能

- 電源側應用：鈉離子電池儲能系統可與火電機組協同工作，提供調頻調壓服務，增強電網的響應速度和瞬時功率調節能力。在自動發電控制（AGC）系統調度下，鈉離子電池儲能系統還能與光伏、風力等新能源系統結合，提升電力系統的調節能力，降低棄電率。

- 變電站系統應用：在移峰填谷等應用場景中，鈉離子電池儲能系統因其低成本和高效率的優勢，有助于進一步降低輸配電損耗。

- 負荷側應用：利用鈉離子電池儲能系統在負荷低谷時段儲存能量，在負荷高峰時段釋放，提升電網運行的經濟性。此外，鈉離子電池儲能系統具有寬溫區特性，能適應不同氣候條件，提高分布式電源的滲透率。

盡管如此，鈉離子電池在電解質穩定性、電極與電解質界面穩定性、安全問題以及廢棄電池回收等方面仍需克服諸多挑戰，以實現其在電網儲能領域的大規模應用。

電動汽車

鈉離子電池憑借其成本優勢和豐富的鈉資源儲備，有望在微型和輕型電動汽車市場中部分取代磷酸鐵鋰電池。2018年6月，中國科學院物理研究所成功推出了全球首輛配備鈉離子電池的低速電動車。

2019年，全球第一條鈉離子電池生產線在中國遼寧省啟動運營。盡管如此，目前鈉離子電池技術在能量密度方面尚未達到電動汽車的全面需求。因此，研發新型的高電壓正極材料、優化材料結構并提升其電化學性能，成為推動鈉離子電池大規模應用于電動汽車領域的關鍵挑戰。