钜大LARGE | 点击量：1206次 | 2019年06月21日
钠离子电池可以代替锂离子电池吗？
锂离子电池产品最先是在1990年代由索尼推出的，那时许多人都认为锂离子电池是可充电电池的一大突破：凭借其更高的工作电压和更高的能量密度，锂离子电池击败了当时占据主导地位的镍金属氢化物电池（镍氢电池NiMH）。此外，锂离子电池的使用还促进了便携式电子设备的发展。如果没有锂电池，最新的Galaxy智能手机的重量就可能达到现在手机重量的三倍，体积也将是现在的两倍。
但是，近来，锂离子电池开始“压力山大”了。在更现代的便携式设备和电动汽车的续航时间上，锂离子电池的表现都并不能让人真正满意。另外，与汽油动力车辆相比，锂离子带来的安全问题也更为严重，尤其是有火灾的危险。
这种情况自然带来了问题：接下来该怎么办？会有什么新突破来解决这些问题呢？
更好的锂化学电池
在我们回答这些问题之间，我们首先来谈论一下电池的内在机制。一个电池单元必须包含由两个绝缘层分开的电机，通常称为隔板，该结构通常浸泡在电解液中。两个电极必须要具有不同的电势或不同的电动势，最后两者之间的电势差就定义了电池的电压。电势较高的电极为正极，另一电极就为负极。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
在放电过程中，电子通过外接的电路从负极流向正极，而带电的原子或离子则在电池内部流动，以保持电中性。在可充电电池充电时，这一过程就会倒过来。
锂离子电池的能量密度是指单位质量的电池材料能存储多少能量，近几年一直在以每年约5%的增长速度稳定增长，在20年的时间里从90Wh/kg增长到了240Wh/kg，而预计这一趋势还将继续持续。这是由于电极和电解质化合物和体系结构中的渐进改进和最大充电电压的增加；最近的便携式设备电池电压已经从传统的4.2V增长到了4.4V。
要在能量密度的继续提高上面继续获得突破，电极材料和电解质材料都需要进一步的改进。其中最大的即将实现的飞跃就是向正极中引入元素硫或空气，以及使用金属锂作为负极。
锂硫电池有望在锂离子电池的基础上实现能量密度的倍增，达到400Wh/kg；锂-空气电池的能量密度甚至有望达到锂离子电池的10倍，可达3000Wh/kg。这主要是因为此种电池使用空气作为一种非板载的反应物，氧气代替了电极中的元素，所以能极大地减少电池质量。
锂硫电池和锂-空气电池都在实验室中得到了深入的研究，但其商业可行性还有待商业可用的原型设计的出现。在硫电极放电时，硫会溶解到电解液中，从而将电池与电路断开。而且在充电时，锂的量也会变少，这将严重影响到电池整体可逆性。
为了能将这一技术实用化，我们必须要获得关键的突破：改善正极架构以便更好地保留活性材料或者开发新的电解质，这样不会将活性材料溶解到其中。
而锂-空气电池也面临着类似的困难，这些问题都是来自于电解液和空气的反应。另外，在这两项技术中，锂电极的保护还是一个有待解决的问题。
钠能拯救世界？
上面提到的几种电池中，锂都是电池中的一种关键元素。尽管锂确实是一种很丰富的元素，但是锂的分布非常分散，采取难度较大，所以锂还并未实现全球范围的商业开采。所以目前只有在相对丰富的矿产中才能实现商业开采，目前世界上的大部分锂都来自于高浓度的盐湖的卤水，其中大部分都位于南美洲的安第斯山脉。
除了相对困难的提取，在美国你到处都能买到6美元一千克的碳酸锂，而因为一辆电动汽车所需要的碳酸锂也不过3千克，所以到目前为止，锂的成本还不是一个大问题。
锂电池上的最大担忧是地缘政治上的问题：每一个国家都在寻求能源独立，从化石燃料过渡到锂电池只是把能源依赖从中东转移到南美洲而已。
取代锂的一个可能的解决方法是使用钠，毕竟地球上的钠比锂要丰富2000倍。
从电化学的角度来看，钠和锂是完全可以相互媲美的，所以钠也是一个很好的候选者。钠离子电池的研究近来也屡见报端，目前来看，一旦钠离子电池实现商业化，性能方面应该可以达到和锂离子电池相当的水平。
尽管在成本和性能上，钠离子电池并没有什么本质上的提升。但是这却能给各个国家带来更大的自主权，让它们依靠自己的资源生产电池。拿锰酸钠来说，虽然凭借高理论容量和低廉价格等优点一直是钠离子正极材料的热门研究对象，但存在关键性的技术难点。
一方面，锰酸钠在充放电的过程中，因为自身材料的层间距狭窄，没办法让差不多半径大的钠离子在层间迁移时顺利通过，很容易“挤坏”正极材料本身的结构；另一方面，就是层状结构中的钠离子含量不足，性能指标都远远不够...光是这些技术难点，就足够让它的量产投入计划止步。
二、钠离子电池VS锂离子电池
1.钠离子电池成本较低
虽然实力不够，但既然能霸屏，能和锂离子较劲儿，就有它“锰”的理由。
和锂离子电池比，钠在地球上的含量更高，是锂的几千倍。含量丰富，也自然贵不到哪儿去，成本优势本就是产业届最关心的一个因素。
2.钠离子局限性：寿命&能量密度&安全性
但争议最大的是寿命问题，钠离子电池最主要的问题就是循环使用寿命不高。
理论上钠也能做电池，但是因为它“长得胖”，比锂原子多8个电子，所以它更重，单位质量上的储能相对就少。钠离子电池的能量密度也只有锂离子电池的一半以下水平，目前只能达到120瓦时/公斤。另外，钠离子电池在移动场合中的使用条件也很苛刻，不论是从使用可提供的空间，还是电池本身的安全上都存在一定的局限性。
所以总的感觉下来，钠离子电池有它自身的优势，资源储备丰富，成本低，但是能量密度低、安全性不高还“长得胖”，压根儿就不适合投入电动车生产。但是因为对它的研发从来没停止过，一些问题实际上已经取得了很大的突破。对之前提到的钠离子正极材料层间距的问题，也有研究团队首创了结构设计和调控方法，在水钠锰矿层状结构的基础上研究出了所需的层状纳米正极材料，解决了之前提到的层间距和钠离子含量不足的问题。
去年6月，国内首辆钠离子电池低速电动车已经问世。近日，国内自主研发的钠离子电池也进入量产阶段，世界上首条钠离子电池生产线投入运行，预计量产后的年产值能超过100亿元。
其他公司也都取得了技术上的小突破。Durathon钠盐电池技术目前已经在全球25个国家，建成了太阳能、风电组合等储能项目；比克电池对钠离子电池的研发也进入中试阶段；东莞迈科已在钠离子电池材料制作、平台建设等方面获得了突破性的进展，新申请了发明专利2项。丰田新开发的钠离子技术可有效提升电动车的续航里程，最大可达到惊人的1000公里，其中丰田新电池使用了钠基化合物作为正极的钠离子电池，电池产生的电压高出锂离子电池30%......
没有万能的良方
不管什么新兴技术，在安全问题上都有和锂离子电池一样的顾虑。电池安全的主要威胁是易燃性溶剂类电解质，但没有它们，电池的电压要达到2V都很困难。
事实上，因为水在高于2V的电压下会分解称氢气和氧气，所以3V量级的锂电池和钠电池中使用了昂贵易燃的碳酸酯溶剂来作为电解质。其它的选项包括无溶剂电解质，但却不能提供足够好的导电性能，无法应用在高功率的应用中，所以也没能实现商业化。
幸运的是，现有的锂离子电池技术出现意外起火的概率大约为4000万分之一。尽管风险并不能完全避免，但可以通过工程控制和保留式设计可以尽可能保证不出现事故。
种子，目前的锂离子电池提供了相当好的性能。新兴的化学电池技术（锂硫电池和锂-空气电池）有彻底改变便携式能量储存的应用潜力，但这些技术都还处于实验室研究阶段，未来到底会如何发展还有待检验。
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