中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：時(shí)代永遠(yuǎn)在變，浪奔浪流，大浪淘沙。當(dāng)數(shù)碼相機(jī)成熟的時(shí)候，做相機(jī)膠卷的柯達(dá)被淘汰了。當(dāng)智能手機(jī)成熟的時(shí)候，做傳統(tǒng)手機(jī)的諾基亞也被時(shí)代淘汰了。
那么，問題來了，鋰電池也會(huì)被時(shí)代淘汰嗎？要回答這個(gè)問題，還需要看看鋰電池的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手鈉電池到底行不行。
鋰電池的現(xiàn)狀
自從40年前，約翰. 古迪納夫（John B Goodenough)發(fā)明鋰電池以來，鋰電池變得越來越重要，它已經(jīng)成為智能手機(jī)與電動(dòng)汽車的標(biāo)配。
在國內(nèi)也涌現(xiàn)了很多與鋰相關(guān)的明星企業(yè)，比如做鋰電池的寧德時(shí)代，比如提供鋰礦資源的贛鋒鋰業(yè)。
但是鋰資源在地球上十分稀少，在未來，鋰資源也面臨著像石油資源一樣的枯竭危險(xiǎn)。而且提取鋰的工藝也比較復(fù)雜，從鹽湖里提取鋰，需要用到萃取或者電滲析膜分離等技術(shù)，工藝繁瑣而且成本較高。
從1980年出現(xiàn)鈷酸鋰電池技術(shù)，到1982年出現(xiàn)錳酸鋰技術(shù)，到1991年索尼推出第一款商用鋰電池，再到 1997年提出磷酸鐵鋰技術(shù)，此后的20年再?zèng)]有新的鋰電技術(shù)出現(xiàn)，鋰電池本身也開始面臨著增長的極限，尤其是使用壽命與能量密度的提高越來越困難，所以尋找新的替代技術(shù)有了天然的需求。
有沒有鋰電池替代產(chǎn)品呢？
也許是有的，那就是鈉離子電池。鈉離子電池為什么有可能取代鋰電池？
鈉是地球上僅次于鋰的第二輕的金屬元素，從元素周期表中來看，鈉與鋰屬于同一族元素，它們的化學(xué)性質(zhì)相似，因此理論上鈉也可以像鋰一樣用來做電池。
當(dāng)然了，鈉的原子半徑比鋰要大很多，因?yàn)殁c原子比鋰原子要多8個(gè)電子，所以自然長得很胖。一旦長胖，就會(huì)有很多麻煩，比如它不能像鋰那樣嵌入到石墨中，而且它比鋰要重很多，使得單位質(zhì)量的電池儲(chǔ)能就要比鋰少。
但是，鈉有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)——鈉元素在地球上的含量非常高，它在地球上的含量是鋰的幾千倍。我們吃的食鹽里就有大量的鈉，海水中也有非常多的鈉。正因?yàn)楹渴重S富，所以鈉比鋰要便宜很多。
在市場(chǎng)上，作為鋰原料的碳酸鋰價(jià)格每噸需要幾萬元；而作為鈉原料的氯化鈉的價(jià)格每噸只要幾千元。所以，作為電池來說，鈉電池與鋰電池相比的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是便宜，這對(duì)于產(chǎn)業(yè)化來說是一個(gè)非常核心的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)界最關(guān)心的是成本。
當(dāng)然，成本優(yōu)勢(shì)不等于技術(shù)優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵還要看鈉是不是真的可以做電池。電池的正極材料、負(fù)極材料、電解液是三個(gè)基本的組成部分，這些對(duì)鈉電池來說都沒有原則性的困難。
所以鈉電池是可以存在的。以鈉離子電池的負(fù)極材料為例，可以做負(fù)極的材料有很多種，研究的比較多的主要是硬碳材料。雖然硬碳的儲(chǔ)鈉機(jī)理目前還沒有定論，而且不同的人做出的電池負(fù)極性能差異比較大，但這只是工藝問題，總有一天能做到標(biāo)準(zhǔn)化的。
實(shí)際上，鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池沒有太大的差別，利用的是鈉離子在正負(fù)極之間嵌脫過程實(shí)現(xiàn)充放電。充電時(shí)，鈉離子從正極脫出經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，同時(shí)電子補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到負(fù)極，保證正負(fù)極電荷平衡。
放電時(shí)則相反，鈉離子從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。在正常的充放電情況下，鈉離子在正負(fù)極間的嵌入脫出不應(yīng)該破壞電極材料的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)（當(dāng)然在實(shí)際情況下可能會(huì)產(chǎn)生一定的記憶效應(yīng)，也可能導(dǎo)致電極材料的老化）。
那么，鈉離子電池有技術(shù)優(yōu)勢(shì)嗎？有的人宣稱在原理上，鈉離子電池的充電時(shí)間可以縮短到鋰離子電池的1/5——雖然目前這方面的公開數(shù)據(jù)并不是很充分，于是只能說這是潛在的優(yōu)點(diǎn)。
也有相關(guān)資料宣稱，鈉離子電池壽命超過10年，而通常鋰離子電池使用壽命只有3-4年，不過對(duì)于這一點(diǎn)是存疑的，根據(jù)相關(guān)調(diào)研，鈉離子電池的主要問題正是循環(huán)壽命不高，所以這是一個(gè)爭(zhēng)議點(diǎn)。
中國首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車已經(jīng)問世
目前有定論的是，鈉離子電池有成本低的優(yōu)點(diǎn)，其他的技術(shù)優(yōu)勢(shì)則不太明顯。那么這一領(lǐng)域目前的研發(fā)情況又是怎么樣的呢？
作為一個(gè)有示范性意義的項(xiàng)目，2018年6月，中國首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車在中國科學(xué)院物理研究所園區(qū)內(nèi)示范演示——請(qǐng)注意，這里的關(guān)鍵詞是“低速”。該輛低速電動(dòng)汽車是由依托物理所鈉離子電池專利技術(shù)成立的中科海鈉科技公司推出的。
在2017年，中國科學(xué)院物理研究所就以鈉離子電池技術(shù)相關(guān)專利出資成立了中科海鈉科技有限責(zé)任公司，中國科學(xué)院物理研究所陳立泉院士，胡勇勝研究員為技術(shù)帶頭人。隨后，中科海鈉公司在江蘇溧陽準(zhǔn)備建立產(chǎn)業(yè)化基地，加速推進(jìn)鈉離子電池商業(yè)化進(jìn)程。
但是據(jù)了解，目前鈉離子電池的能量密度只能達(dá)到120瓦時(shí)/公斤。所以，在能量密度這一技術(shù)指標(biāo)上，鈉離子電池還不能與鋰離子電池相提并論，因?yàn)殇囯姵氐哪芰棵芏?00瓦時(shí)/公斤以上。
從能量密度的角度來說，現(xiàn)在的鈉離子電池只能達(dá)到鋰電池的一半以下，因此鈉離子電池目前只能用在低速電動(dòng)車、電動(dòng)船、家庭儲(chǔ)能等對(duì)能量密度要求較低的領(lǐng)域，目前還不能用鈉電池做出高速電動(dòng)汽車。用鈉電池做電動(dòng)自行車是比較合適的，比如中國長城旗下公司研發(fā)的鈉離子電池組實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車上的示范應(yīng)用。
中國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
中國科學(xué)院物理所參與的鈉離子電動(dòng)車只是一個(gè)演示性的項(xiàng)目。但鈉電池是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，它可能還需要更多的研發(fā)才能綻放出時(shí)間的玫瑰。在目前的中國，鈉電池的產(chǎn)業(yè)化的步伐正在加速。
2019年1月，位于鞍山的遼寧星空鈉電電池有限公司自主研發(fā)的鈉離子電池近日進(jìn)入量產(chǎn)階段，世界上首條鈉離子電池生產(chǎn)線投入運(yùn)行，預(yù)計(jì)規(guī)模化生產(chǎn)后年產(chǎn)值超過100億元。
除了企業(yè)界的努力，在學(xué)術(shù)界也還有很多研究團(tuán)隊(duì)在致力于鈉電池的研發(fā)。比如南京理工大學(xué)夏暉教授在鈉電池的錳基正極材料研究方面上取得了進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在《自然?通訊》上。
夏暉教授的研究團(tuán)隊(duì)找到的這種正極材料制成的鈉電池電極比容量達(dá)到211.9毫安時(shí)每克，而目前市面上的鋰電池正極材料比容量大約為140毫安時(shí)每克。
不過，學(xué)院派對(duì)鈉離子電池的研究主要是對(duì)各種水系電解質(zhì)、有機(jī)系電解質(zhì)和固態(tài)電解質(zhì)以及相應(yīng)的不同的正負(fù)極材料做排列組合，這些排列組合總可以做出比較高的比容量，但對(duì)產(chǎn)業(yè)界來說，核心問題還不是比容量的問題，核心問題是電池的循環(huán)壽命——也就是說這個(gè)電池能用多長的時(shí)間，能充電放電多少次，這個(gè)才是產(chǎn)業(yè)界最關(guān)心的。
所以，從產(chǎn)業(yè)情況來看，目前鈉電池的產(chǎn)業(yè)化還停留在初級(jí)階段，很多研究成果只是在高校與研究所流傳，離真正落地還需要一定的時(shí)間——甚至有研究人員表示，在地球上的鋰儲(chǔ)量用完之前，鈉離子電池根本沒有機(jī)會(huì)。
鈉電池也可能像人工智能技術(shù)一樣，一開始可能并不被人看好，只能在學(xué)院派里流傳，但也許有一天會(huì)發(fā)生突變，迅速落地在產(chǎn)業(yè)界。這是很有可能的，所以鈉電池實(shí)際上值得有前瞻思維的企業(yè)家與投資者高度關(guān)注。
鈉離子電池是未來儲(chǔ)能電池的重要發(fā)展方向之一。隨著鈉離子研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程會(huì)不斷加快，也許提前布局這一領(lǐng)域有望在新能源電池領(lǐng)域搶得先機(jī)。當(dāng)然現(xiàn)在說鈉離子電池取代鋰電池似乎為時(shí)尚早。
