钠离子动力电池解析

目前，新能源汽车的动力电池广泛应用锂电池，如镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池，但中国锂资源储量仅占全球的20%，且开采难度大、成本高，中国钴资源仅占全球储量的1%左右，且分布较散；且锂电池尤其三元材料电池有循环寿命低、安全性不足、成本偏高、充电速度慢等问题。以宁德时代为代表的国内一线动力电池厂商基于战略因素考虑，发布了全新的钠离子动力电池，旨在打破资源局限和降低动力电池成本。

一

钠离子含量

钠元素是地壳中储量第六丰富的元素，是地壳中锂资源的上千倍（锂的含量是相当少的，只有0.0065%，而钠的含量是2.75%，应该说钠的含量相当多。），且地理分布均匀，成本低廉；同时，钠离子化合物容易获取、价格稳定且低廉。

二

钠离子电池基本原理

钠离子和锂离子属于同一主族，所以钠离子电池和锂离子电池工作原理基本相似，都是摇椅式，也就是利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。充电时,钠离子从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，钠离子从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。在正常的充放电情况下，钠离子在正负极间的嵌入脱出不破坏电极材料的基本化学结构。

三

钠离子电池的正负极材料差异

大家都知道，现有的锂离子动力电池的正极采用的是镍钴锰或磷酸铁等材料，负极采用的是石墨材料。而钠离子和锂离子的核心差别在于正负极电荷载体不同，主要是由于钠离子半径大于锂离子，相比锂离子，钠离子就是个大胖子，这就意味着在电池的运行过程中，钠离子在材料中的嵌入和脱出对材料的结构稳定性和动力学提出了更高的要求。也导致钠离子无法嵌入石墨材料，且钠离子实现可逆充放电不依赖镍钴锰等稀缺金属，因此钠离子电池的正负极材料和电解液等都需要做出相应改变以适应钠离子电池。不过对隔膜影响最小，不影响目前隔膜体系。

在正极材料方面，目前具有潜在商业化价值的有普鲁士白和层状氧化物两类材料，克容量已经达到了160mAh/g，与现有的锂离子电池正极材料相当。普鲁士白属于普鲁士蓝类化合物，由于含有高钠（普鲁士蓝只含一个钠），呈现白色，所以称为普鲁士白，是含铜、铁、锰便宜金属的正极材料。普鲁士白具有开放的骨架结构、丰富的氧化还原活性位点和极强的结构稳定性。由于普鲁士白的离子通道和晶格间隙很大，很容易进行可逆的离子嵌入/脱出反应，因是少数能够容纳更大碱性阳离子如(Na离子和K离子)的正极基体材料之一。同时普鲁士白突出的优势以及特点在于其原料成本低廉、获取简单。

在负极材料方面，常用的石墨虽然便宜好用，但其与钠离子性相不合，钠离子嵌入后易失去电化学活性。硬碳材料由于具有丰富的碳源、低成本、无毒环保，且储钠电位低而被认为是最可能被实用化的钠离子电池负极材料。硬碳材料通常被认为是难石墨化的碳材料的统称，其微观结构是由弯曲的类石墨片堆叠的短程有序微区，各微区随机无序堆叠留下较多纳米孔洞。由于其往往具有较大的层间距(通常大于 0.37 nm)， 较多的纳米孔洞，以及较多的缺陷位点，因而可以储存较多的钠离子，具有较高的比容量。宁德时代创新开发了独特孔隙结构的硬碳结构，克容量可达到了350mAh/g，还具备优异的循环性能，与现有的石墨材料是相当的。

电解液方面，钠离子电池的电解液溶质用六氟磷酸钠来替代六氟磷酸锂，集流体采用更便宜的铝箔来替代铜箔。制造工艺上设备可以跟锂离子电池产线兼容。

四

钠离子电池的性能差异

说到电池的性能，主要有能量密度、充放电性能、低温性能和循环寿命等。（1）钠离子电池的电芯能量密度要比磷酸铁锂低一些，普遍在140Wh/kg左右，不过宁德时代的钠离子电池的电芯能量密度已经达到了160Wh/kg，这是目前全球最高水平；同时在系统集成效率方面，也可以达到80%以上。（2）充放电性能方面，宁德时代也可以做到在常温下充电15分钟，电量就可以达到80%，具备了快充能力；在零下20℃低温的环境下，仍然有90%以上的放电保持率。（3）不过在低温性能和快充方面具有明显的优势，特别是在高寒地区高功率应用场景。（4）循环寿命方面，1C充/1C放的循环性可以大于6000次，3C充/3C放可以到3000次，所以钠离子的循环性还是相当不错的。

除了公布第一代钠离子电池之外，宁德时代还公布了AB电池系统解决方案。AB电池系统解决方案是将钠离子电池与锂离子电池同时集成到同一个电池系统里，并按一定的比例和排列进行混搭、串联、并联、集成，后续通过BMS的精准算法进行不同电池体系的均衡控制。

五

结语

钠离子电池在低温性能、快充以及环境的适应性等方面拥有独特的优势,与锂离子电池相互兼容互补；所以多元化的技术路线也是新能源汽车这个产业长期稳定发展的重要保障。锂电池的发展为钠离子电池发展提供基础，研发、材料等可借鉴，甚至部分材料、设备等可通用。中国钠离子电池在基础研究、技术水平和产业化推进速度方面都处于国际领先地位，具备先发优势。除新能源汽车产业可以应用钠离子电池以外，钠离子电池以其低成本、长寿命和高安全的诸多优势有望在各类低速电动车、电动船、数据中心、通信基站、家庭/工业储能、可再生能源大规模接入和智能电网等多个领域快速发展，提升我国在储能技术领域的竞争力与影响力。因此钠离子动力电池未来发展可期。