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什么是纳离子电池?它有什么优点?

近期,宁德时代将推出钠离子电池的消息多次登上各媒体的头条,纳离子电池也引发市场的重点关注。

事实上,纳离子电池并不是新鲜事物。钠离子电池(Sodium-ion battery),也是一种二次电池(充电电池),主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作,与锂离子电池工作原理相似。

在充放电过程中,Na+在两个电极之间往返嵌入和脱出:充电时,Na+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极;放电时则相反。

也就是说,钠离子电池,借助了钠离子转移(而不是锂离子)来存储和释放电能。

钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐,相较于锂盐而言储量更丰富,价格更低廉。由于钠离子比锂离子更大,所以当对重量和能量密度要求不高时,钠离子电池是一种划算的替代品。

与锂离子电池相比,钠离子电池具有的优势有:

(1)钠盐原材料储量丰富,价格低廉,采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料,原料成本降低一半;

(2)由于钠盐特性,允许使用低浓度电解液(同样浓度电解液,钠盐电导率高于锂电解液20%左右)降低成本;

(3)钠离子不与铝形成合金,负极可采用铝箔作为集流体,可以进一步降低成本8%左右,降低重量10%左右;

(4)由于钠离子电池无过放电特性,允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg,可与磷酸铁锂电池相媲美,但是其成本优势明显,有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。

钠离子电池研究最早开始于上世纪八十年代前后,早期被设计开发出来的电极材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2电化学性能不理想,发展非常缓慢。寻找合适的钠离子电极材料是钠离子储能电池实现实际应用的关键之一。

2010年以来,根据钠离子电池特点设计开发了一系列正负极材料,在容量和循环寿命方面有很大提升,如作为负极的硬碳材料、过渡金属及其合金类化合物,作为正极的聚阴离子类、普鲁士蓝类、氧化物类材料,特别是层状结构的NaxMO2(M= Fe、Mn、Co、V、Ti)及其二元、三元材料展现了很好的充放电比容量和循环稳定性。

由于钠离子相对更大,需要更大的能量来驱动离子的运动,这方面一度是新电池技术最头疼的问题,直到科学家们像碳芯电池一样,采用碳作为驱动介质,使得钠离子电池的能效可以达到锂电池的7倍之多,而且可循环充电的次数更多。此外,钠离子的液态记忆这项难题也被攻克。

不过,虽然纳资源丰富,但宁德时代也表示,目前的纳离子电池,相较已得到大规模应用的锂离子电池,成本方面会略贵一些。

因此,纳离子电池的降本,将是后期需要攻克的难题。

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