鈉離子電池(Sodium-ion battery),也是一種二次電池(充電電池),主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作,與鋰離子電池工作原理相似。
在充放電過程中,Na+在兩個電極之間往返嵌入和脫出:充電時,Na+從正極脫嵌,經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極;放電時則相反。
也就是說,鈉離子電池,借助了鈉離子轉(zhuǎn)移(而不是鋰離子)來存儲和釋放電能。
鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽,相較于鋰鹽而言儲量更豐富,價格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大,所以當對重量和能量密度要求不高時,鈉離子電池是一種劃算的替代品。
與鋰離子電池相比,鈉離子電池具有的優(yōu)勢有:
(1)鈉鹽原材料儲量豐富,價格低廉,采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料,原料成本降低一半;
(2)由于鈉鹽特性,允許使用低濃度電解液(同樣濃度電解液,鈉鹽電導率高于鋰電解液20%左右)降低成本;
(3)鈉離子不與鋁形成合金,負極可采用鋁箔作為集流體,可以進一步降低成本8%左右,降低重量10%左右;
(4)由于鈉離子電池無過放電特性,允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg,可與磷酸鐵鋰電池相媲美,但是其成本優(yōu)勢明顯,有望在大規(guī)模儲能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。
鈉離子電池研究最早開始于上世紀八十年代前后,早期被設(shè)計開發(fā)出來的電極材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2電化學性能不理想,發(fā)展非常緩慢。尋找合適的鈉離子電極材料是鈉離子儲能電池實現(xiàn)實際應用的關(guān)鍵之一。
2010年以來,根據(jù)鈉離子電池特點設(shè)計開發(fā)了一系列正負極材料,在容量和循環(huán)壽命方面有很大提升,如作為負極的硬碳材料、過渡金屬及其合金類化合物,作為正極的聚陰離子類、普魯士藍類、氧化物類材料,特別是層狀結(jié)構(gòu)的NaxMO2(M= Fe、Mn、Co、V、Ti)及其二元、三元材料展現(xiàn)了很好的充放電比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
由于鈉離子相對更大,需要更大的能量來驅(qū)動離子的運動,這方面一度是新電池技術(shù)最頭疼的問題,直到科學家們像碳芯電池一樣,采用碳作為驅(qū)動介質(zhì),使得鈉離子電池的能效可以達到鋰電池的7倍之多,而且可循環(huán)充電的次數(shù)更多。此外,鈉離子的液態(tài)記憶這項難題也被攻克。
不過,雖然納資源豐富,但寧德時代也表示,目前的納離子電池,相較已得到大規(guī)模應用的鋰離子電池,成本方面會略貴一些。
因此,納離子電池的降本,將是后期需要攻克的難題。