隨著全球能源危機(jī)的加劇和環(huán)境問題的日益凸顯，新能源技術(shù)如璀璨繁星般在科技的天空中熠熠生輝。在眾多新能源技術(shù)中，鈉電技術(shù)以其獨(dú)特的魅力和無限的可能性，正逐漸嶄露頭角，成為新能源領(lǐng)域中一顆耀眼的新星。
定義及分類
鈉離子電池是一種新型二次電池。鈉離子電池的主要構(gòu)成包括正極、負(fù)極、隔膜、電解質(zhì)和集流體，以及密封材料、電池殼和一些安全保護(hù)的附屬部件。由于鈉與鋰處于同一主族，具有相似的化學(xué)性質(zhì)，因而鈉離子電池的運(yùn)作原理與鋰離子電池也相類似，主要通過利用Na+在正負(fù)極材料之間的可逆脫嵌實(shí)現(xiàn)充放電。充電時Na+在電勢差的驅(qū)動下從正極材料的晶體結(jié)構(gòu)中脫出經(jīng)過電解質(zhì)而進(jìn)入負(fù)極材料，同時電子也經(jīng)外電路流入負(fù)極與經(jīng)過電解質(zhì)過來的Na+結(jié)合發(fā)生氧化還原反應(yīng)；放電時則相反。
鈉離子電池充放電過程示意圖
鈉離子電池可分為鈉硫電池、鈉鹽電池、鈉空氣電池、有機(jī)鈉離子電池、水系鈉離子電池等。
鈉硫電池：負(fù)極為熔融液態(tài)金屬鈉，正極為單質(zhì)硫，以固態(tài)β-Al2O3陶瓷作電解質(zhì)兼隔膜，鈉硫電池的比能量較高，是鉛酸電池的3~4倍。
鈉鹽電池：負(fù)極為液態(tài)鈉，正極為金屬氯化材料，電解質(zhì)為Na+導(dǎo)體β-Al2O3陶瓷和NaAlCl4熔融鹽復(fù)合電解質(zhì)。
鈉空氣電池：正極通常采用多孔碳材料或多孔金屬材料，由于材料中孔洞的存在不僅為氧氣的傳輸提供通路，同時也為電極反應(yīng)提供場所。
有機(jī)系鈉離子電池：負(fù)極由硬碳或者可嵌鈉材料組成。在放電過程中，負(fù)極被氧化的同時鈉離子被釋放到電解液中，與此同時鈉離子嵌入到正極材料中正極被還原。
水系鈉離子電池：與有機(jī)系電解質(zhì)電池相比，電解質(zhì)不同，因而水系比有機(jī)系電解質(zhì)有更快的離子遷移速率，更便宜，更安全。唯一的缺點(diǎn)是水的工作電壓窗口較窄。
性能特點(diǎn)
鈉電技術(shù)的優(yōu)勢不僅僅在于其低廉的成本，更在于其豐富的資源儲備。鈉離子電池可用于電網(wǎng)儲能和低端電動車的供電。此外，鈉電池還以其高溫性能優(yōu)異、安全性高等特點(diǎn)，成為了在一些特殊應(yīng)用場景中的理想選擇。例如，在高溫、高濕度的環(huán)境下，鈉電池能夠保持穩(wěn)定的性能，為設(shè)備提供持續(xù)的能量支持。這使得鈉電技術(shù)在能源領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，有望引領(lǐng)一場能源技術(shù)的革命性變革。
發(fā)展歷程
在20世紀(jì)70年代末，鈉離子電池與鋰離子電池幾乎同時展開研究，但是受當(dāng)時研究廣泛的石墨負(fù)極材料儲鈉能力的限制，鈉離子電池的研究一度處于緩慢和停滯狀態(tài)。直到 2000 年加拿大的 Dahn 等發(fā)現(xiàn)高容量的硬碳可作為儲鈉負(fù)極材料，鈉離子電池才重回研究者的視線，但當(dāng)時產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注重點(diǎn)仍集中于鋰離子電池。
2010年以來，由于鋰資源供給的稀缺態(tài)勢日益凸顯，鈉離子電池受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，其相關(guān)研究更是迎來了爆發(fā)式增長。目前，鈉離子電池已逐步開始了從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的階段，國內(nèi)外已有多家企業(yè)，包括英國FARADION公司，美國Natron Energy公司，法國Tiamat，日本岸田化學(xué)、豐田、松下、三菱化學(xué)， 以及我國的中科海鈉、寧德時代、鈉創(chuàng)新能源等公司，正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展。
2018年6月，國內(nèi)首家鈉離子電池企業(yè)中科海鈉推出了全球首輛鈉離子電池(72V，80Ah)驅(qū)動的低速電動車，并于2019年3月發(fā)布了世界首座 30kW/100kWh鈉離子電池儲能電站，2021年6月推出1MWh的鈉離子電池儲能系統(tǒng)。國內(nèi)在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)制造、標(biāo)準(zhǔn)制定以及市場推廣應(yīng)用等方面的工作正在全面展開，鈉離子電池即將進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，相關(guān)工作已經(jīng)走在世界前列。
產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
2010 年以來，鈉離子電池受到了國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注，其相關(guān)研究迎來了爆發(fā)式增長。目前，國內(nèi)外已有多家企業(yè)正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展。
全球鈉離子電池市場分為北美、歐洲、亞太、拉丁美洲和中東非洲等區(qū)域。北美地區(qū)由于未來幾年太陽能和風(fēng)能的計(jì)劃裝機(jī)增長，并且電動汽車銷量增加，因此預(yù)計(jì)鈉離子電池市場將迎來有利機(jī)遇。
歐洲地區(qū)正致力于轉(zhuǎn)向可再生能源，并鼓勵地方政府采用電動車技術(shù)。該地區(qū)電動車銷量的進(jìn)一步增加，以及可再生能源行業(yè)的增長預(yù)計(jì)將推動鈉離子電池市場的增長。
拉丁美洲地區(qū)的一些國家（如委內(nèi)瑞拉、加勒比群島、智利和哥倫比亞等）存在電力配網(wǎng)不足的問題。為了滿足該地區(qū)不斷增長的電力需求，上述各國以及巴西和烏拉圭等國政府將增加太陽能產(chǎn)能。該地區(qū)太陽能產(chǎn)能的增加預(yù)計(jì)將促進(jìn)鈉離子電池市場的增長。
中東和非洲地區(qū)電力系統(tǒng)建設(shè)不夠完善，反而迎來了可再生能源產(chǎn)能的顯著增長。該地區(qū)可再生能源容量的增加預(yù)計(jì)將推動未來鈉離子電池市場的需求增長。
亞太地區(qū)擁有非常健全而快速增長的可再生能源行業(yè)，尤其是中國、日本和印度產(chǎn)能的增加是亞太地區(qū)可再生能源行業(yè)增長的主要驅(qū)動因素之一。可再生能源行業(yè)的增長預(yù)計(jì)會加速亞太地區(qū)鈉離子電池的銷售增長。
同時，各國政府也在積極推動新能源技術(shù)的發(fā)展，為鈉電技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了有力的政策支持。
隨著科技的不斷進(jìn)步和鈉電池制造成本的逐步降低，鈉電市場有望在未來幾年內(nèi)實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長。據(jù)預(yù)測，到2025年，鈉離子電池市場規(guī)模將突破100億元，2027年將突破500億元。鈉離子電池將成為新能源領(lǐng)域中的一股強(qiáng)大力量。
產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)
鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈包括鈉資源開采、電極材料生產(chǎn)、電池制造等多個環(huán)節(jié)，涉及多個領(lǐng)域的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同發(fā)展。
行業(yè)發(fā)展空間
隨著新能源汽車電池需求量激增和雙碳背景下的儲能板塊對電池需求的疊加，市場對鈉離子電池的研發(fā)投入勢必呈增長趨勢。
1.政策利好行業(yè)發(fā)展
鈉離子電池是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐之一。在政策上，國家發(fā)改委、能源局的規(guī)劃文件中多次提及鈉離子電池，提出盡快推動鈉離子電池市場化應(yīng)用。2022年6月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等九部門聯(lián)合印發(fā)《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》，提出研發(fā)儲備鈉離子電池技術(shù)。2022年7月，工信部正式下達(dá)首批鈉離子電池行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)劃。政策的大力支持為鈉離子電池行業(yè)發(fā)展指明了方向。
2.資源優(yōu)勢推動行業(yè)量產(chǎn)
近年來，電化學(xué)儲能、電動汽車高速發(fā)展，但其關(guān)鍵原材料鋰資源嚴(yán)重依賴于進(jìn)口。在資源儲量方面，鈉資源的地殼豐度是鋰資源的423倍，并且在全球均勻分布。鈉離子電池相比鋰離子電池有非常大的資源優(yōu)勢，資本爭相入局鈉離子電池，多家企業(yè)更是宣布電池及正負(fù)極、電解液材料量產(chǎn)在即。
3.成本降低促進(jìn)行業(yè)規(guī)模化應(yīng)用
鈉離子電池具有明顯成本優(yōu)勢，材料總成本比鋰電池低30%~40%，但是鈉離子電池技術(shù)尚不成熟。未來，引導(dǎo)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展應(yīng)在核心技術(shù)研發(fā)、低成本制備、規(guī)模化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用等方面持續(xù)發(fā)力，進(jìn)一步降低鈉離子電池成本、提高鈉離子電池性能，推動其在智能電網(wǎng)、工業(yè)儲能和中高端電動汽車等領(lǐng)域的商業(yè)化和規(guī)模化應(yīng)用。
當(dāng)然，鈉電技術(shù)的發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)。其中最主要的問題之一就是鈉電池的能量密度相對較低，續(xù)航里程有限。這也是鈉電池相較于鋰電池的主要短板之一。為了解決這個問題，科學(xué)家們正在努力研發(fā)新型的鈉電池材料和技術(shù)，以提高其能量密度和續(xù)航里程。同時，鈉電池在市場推廣和應(yīng)用方面也需要克服一些難題，如消費(fèi)者認(rèn)知度不高、充電設(shè)施不完善等。這些問題都需要通過不斷的努力和創(chuàng)新來解決。
然而，盡管面臨這些挑戰(zhàn)，鈉電技術(shù)的發(fā)展前景依然是樂觀的。隨著科技的不斷進(jìn)步和市場的逐步成熟，鈉電池有望在未來成為主流能源之一，為人類社會的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。與此同時，鈉電技術(shù)的發(fā)展也將為相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈帶來巨大的商業(yè)機(jī)遇。從材料制造到設(shè)備制造、從電池生產(chǎn)到應(yīng)用推廣，鈉電技術(shù)將帶動一系列產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，為全球經(jīng)濟(jì)注入新的活力。
鈉電技術(shù)的興起和發(fā)展是新能源領(lǐng)域的一大重要趨勢。我們期待著鈉電技術(shù)的未來發(fā)展，相信它將為人類社會的可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。
