近幾十年來，鋰離子電池技術的進步改善了全球的生活條件。鋰離子電池(Lithium ion batteries，簡稱LIB)用于大多數(shù)移動電子設備以及電動車輛。然而，人們越來越擔心可再生能源和智能電網(wǎng)的負載均衡，以及鋰源的可持續(xù)性，因為鋰資源的地球儲量相對有限，這必將導致鋰資源緊張和原材料價格飆漲。因此，單靠LIB能否滿足小型和/或中大型儲能應用不斷增長的需求仍不清楚。為了緩解這些問題，最近的研究集中于替代能源儲存系統(tǒng)。鈉離子電池(Sodium ion batteries，簡稱SIB)被認為是最佳候選電源。

為什么是鈉離子電池?

鈉是地球上第四豐富的元素，其分布似乎是無限的。含鈉前體的供應量巨大。與碳酸鋰相比，資源豐富且生產(chǎn)碳酸鈉的天然堿成本低得多，這為開發(fā)用作鋰離子電池替代品的鈉離子電池提供了令人信服的理由。

SIB的研究史

由于需要鋰的替代品來實現(xiàn)大規(guī)模應用，近年來，鈉離子電池引起了相當多的研究關注。其實，自1970年代和1980年代開始開發(fā)LIB時，就開始研究SIB，但由于LIB商業(yè)應用的快速發(fā)展和成功，SIB在很大程度上被放棄。此外，在這些年中，材料、電解質和手套箱的整體質量不足以處理鈉，因此難以觀察電極性能。

20世紀80年代，在鋰離子電池商業(yè)化之前，一些美國和日本公司開發(fā)了全電池配置的鈉離子電池，其中鈉鉛合金復合材料和P2型NaxCoO2分別用作陽極和陰極。盡管在300次循環(huán)中具有顯著的可循環(huán)性，但平均放電電壓低于3.0 V，這對于平均放電電壓為3.7 V的碳/LiCoO2電池沒有引起太多關注。

SIB和LIB的異與同

除了離子載體外，SIB和LIB的電池組件和電存儲機制基本相同。就陰極材料而言，鈉的嵌入化學與鋰的嵌入化學非常相似，因此可以在兩種系統(tǒng)中使用類似的化合物。

然而，SIB和LIB之間存在一些明顯的差異。與Li+離子(0.76)相比，Na+離子的體積更大，這會影響相穩(wěn)定性、輸運性質和界面形成。鈉(23 g·mol-1)也比鋰(6.9 g·mol-1)重，并且具有更高的標準電極電位(鈉vs SHE為-2.71V，鋰vs SHE為-3.02V)。因此，SIB在能量密度方面總是達不到要求。不過，可循環(huán)鋰或鈉的重量僅占組件質量的一小部分，容量主要由用作電極的主體結構的特性決定。因此，原則上，從LIB到SIB的過渡不應產(chǎn)生能量密度較大差異的結果。此外，相對于Li/Li+，鋁與鋰發(fā)生低于0.1 V的合金反應，這表明鋁可用作鈉電池陽極的集電極。因此，鋁作為SIB的陽極集電極是銅的一種經(jīng)濟高效的替代品。

因此，對SIB的研究可以借鑒LIB的研究經(jīng)驗但卻無法完全移植，需要尋找適合SIB的材料，構建合適的SIB體系。

SIB比LIB成本更低嗎?

對于這個問題，Christoph Vaalma等進行了研究論證。成本分析表明，用鈉代替鋰不會直接顯著降低電池成本。然而，在鋰短缺和相關價格上漲的情況下，使用鈉可以帶來巨大的成本優(yōu)勢。相比之下，在SIB中，集電極從銅到鋁的替代可以對最終電池價格產(chǎn)生重要影響。

此外，在陽極處使用鋁箔還可以提供其他優(yōu)點，如減少電池重量、減少過放電問題和更安全的電池運輸。

對于陰極材料，在容量方面已報道了令人興奮的進展，但平均工作電勢是一個有待優(yōu)化的關鍵參數(shù)，始終與增加的材料密度相結合，以減少對昂貴電解質的需求。

對于陽極，石墨已被證明是LIB中非常合適的材料，但其對鈉離子的儲存能力較差。通常提出的替代方案—硬碳—很容易合成，但單位質量和體積的鈉含量低于鋰。此外，硬碳密度較低，這增加了對耦合電池材料的需求和成本，尤其是電解質。

因此，具有改進的電化學性能和更高密度的優(yōu)化硬碳可能會提高SIB的競爭力，但通過使用例如硬碳支持高體積和重量容量存儲材料的復合電極，這些電池的成本可能會大幅降低。

此外，SIB之所以有優(yōu)勢不僅僅與避免使用鋰有關，還因為可以避免使用鈷元素，在層狀氧化物中使用鈷被認為是鋰離子儲存的較優(yōu)選擇，但在鈉離子儲存中不需要。盡管約三分之二的鋰儲量集中在南美洲，但這些儲量的規(guī)模足以大幅提升電動汽車的產(chǎn)量，而鈷的供應已經(jīng)面臨壓力。

盡管增加使用貧鎳/鈷材料將減少對鈷的需求，但對鋰的需求將保持在相同水平，電池成本將大幅增加。因此，SIB可以成為未來儲能解決方案的一部分，但其競爭力(如電化學性能)仍有待提高，可能需要通過優(yōu)化材料。不過，鋰和鈷供應短缺將使SIB成為更具吸引力和成本競爭力的替代方案。

《鈉離子電池先進技術及應用》針對鈉離子電池關鍵材料的基礎研究與高性能鈉離子電池的制備技術進行了探索。書中從各種材料的機理研究、改性研究和應用研究三個方面進行了詳細的討論，并介紹了多種研究技術，包括同步輻射技術、中子衍射技術和電化學原位測試技術等，從微觀到宏觀揭示了不同材料的作用機制與發(fā)展前景。 總結了鈉離子電池工業(yè)化在經(jīng)濟、環(huán)境、資源和技術等方面的優(yōu)勢。