根據(jù)國(guó)際市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)Technavio最新發(fā)布的報(bào)告顯示，基于消費(fèi)電子產(chǎn)品需求不斷增長(zhǎng)，電動(dòng)汽車的普及，2020-2024年鋰離子電池市場(chǎng)規(guī)模有可能增長(zhǎng)478.1億美元，且增長(zhǎng)動(dòng)力將在預(yù)測(cè)期內(nèi)加速。鋰離子電池發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，但鋰離子電池本身卻開(kāi)始面臨著增長(zhǎng)的極限，尤其是使用壽命與能量密度的提高越來(lái)越困難，因此在尋找鋰離子電池替代技術(shù)方面，鈉離子電池成為一個(gè)新的極具應(yīng)用潛力的方向。
鈉離子電池是一種二次電池（充電電池），主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，與鋰離子電池工作原理相似。目前，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(shì)明顯，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中取代傳統(tǒng)鉛酸電池；鑒于當(dāng)前鈉離子電池的能量密度只能達(dá)到120Wh/kg，相較于鋰電池的能量密度（300Wh/kg以上）還相差甚遠(yuǎn)。
相比于鋰元素，鈉元素在地殼中的儲(chǔ)藏量十分豐富，獲得鈉元素的方法也十分簡(jiǎn)單，其開(kāi)采費(fèi)用僅為鋰的1%；鈉離子電池的充電時(shí)間可以縮短到鋰離子電池的1/5；鈉離子電池?zé)o過(guò)放電特性，允許放電到零伏；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(dǎo)率高于鋰電解液20%左右）降低成本；鈉離子不與鋁形成合金，負(fù)極可采用鋁箔作為集流體，可進(jìn)一步降低成本8%左右，降低重量10%左右。
業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，鈉離子電池雖然能量密度不及鋰離子電池，但是鈉資源豐富，且獲得十分容易，加之目前碳酸鋰價(jià)格高漲，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看鈉離子電池仍然具有十分廣闊的應(yīng)用前景，如一些對(duì)能量密度要求不高的領(lǐng)域，電網(wǎng)儲(chǔ)能、調(diào)峰，風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能，低速電動(dòng)車、電動(dòng)船、家庭儲(chǔ)能等應(yīng)用場(chǎng)合。
近年來(lái)，鈉離子電池的研發(fā)已成為各國(guó)科研人員爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域。日前，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所二維材料與能源器件研究組、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所的研究人員，構(gòu)筑了聚合物固態(tài)電解質(zhì)和正極材料的一體化集成系統(tǒng)，有效地降低了固固界面阻抗，顯著提高了電子、離子和電荷的傳輸效率，研制出了高比能、柔性的全固態(tài)鈉離子電池。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《先進(jìn)能源材料》（Advanced Energy Materials）。
圖1 柔性全固態(tài)鈉電池示意和循環(huán)穩(wěn)定性
據(jù)介紹，傳統(tǒng)的鈉離子電池多采用液態(tài)電解質(zhì)，容易出現(xiàn)漏液、燃燒等問(wèn)題，而使用固態(tài)鈉離子電解質(zhì)取代易燃的有機(jī)液態(tài)電解液，可有效提高電池的安全性。但是，固態(tài)鈉離子電池的發(fā)展也存在諸多挑問(wèn)題，如固態(tài)電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率低；固態(tài)電解質(zhì)與電極間的界面接觸差；電極材料在脫嵌鈉離子過(guò)程中的體積變化大，導(dǎo)致固態(tài)電池的內(nèi)阻大、容量低、壽命短。因此，急需發(fā)展更加高效的解決方法來(lái)克服固態(tài)鈉離子電池中存在的各種問(wèn)題，以滿足大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的需求。
該團(tuán)隊(duì)一方面設(shè)計(jì)并發(fā)展了光固化聚合法，制備出了一種新型聚合物固態(tài)電解質(zhì)，所得電解質(zhì)在室溫下的離子電導(dǎo)率高達(dá)10-4S/cm，且具有極好的柔韌性；另一方面，利用溶膠凝膠法制備了薄層碳（5納米）修飾的磷酸釩鈉正極材料，提高了材料的電子、離子和電荷的傳輸效率。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了聚合物電解質(zhì)/電極材料一體化的集成系統(tǒng)，有效加強(qiáng)了固固界面接觸，降低了電池界面阻抗，研制出了高比能、長(zhǎng)壽命的柔性固態(tài)鈉離子電池。
據(jù)介紹，該電池可以在0.5C倍率下穩(wěn)定循環(huán)740次，且每次的容量衰減率僅為0.007%；該電池?cái)R置3個(gè)月后，容量保留率仍高達(dá)95%，這表明自放電率極低；軟包鈉離子電池在平鋪和彎折狀態(tài)下循環(huán)535次后，仍可提供高達(dá)355Wh/kg的能量密度（基于正極材料質(zhì)量計(jì)算）。該團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)策略及研究成果，為高比能柔性全固態(tài)鈉電池的發(fā)展和應(yīng)用提供了新方向。
鈉離子電池是未來(lái)儲(chǔ)能電池的重要發(fā)展方向之一，當(dāng)然現(xiàn)在說(shuō)鈉離子電池取代鋰電池似乎為時(shí)過(guò)早，但隨著鈉離子研發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程也將不斷加快。
