钠离子电池能量密度较低，在电池制作的过程中需要更多的辅材和制造成本。这也意味着，目前来看，较之锂离子电池，钠离子电池并没有太大的价格优势。钠电池想要更具成本竞争优势，就必须发展高能量密度和低价格辅材的钠离子电池体系，进一步降低钠电池生产成本。
文︱郭紫文
前段时间，宁德时代召开股东大会，董事长曾毓群透露，宁德时代将于今年7月份发布钠电池。此消息一出，钠电池便被推上了市场的风口浪尖。短短几天时间，钠离子电池概念股异军突起，多股涨停。
随即，钠离子电池能否替代锂离子电池的问题也引发大量讨论。钠离子电池并非全新的电池技术，二十世纪七十年代末，钠离子电池与锂离子电池几乎同时展开研究，然而命运却大相径庭。锂离子电池发展迅速，在市场中取得一席之地，而钠离子电池的发展却始终停滞不前，直到现在仍处于产业化初期。
统计数据显示，锂在地壳中的丰度仅有17ppm（百万分之一），且分布极不均匀。根据美国地质调查局（USGS）数据显示，2019年全球已查明的锂资源量约为8000万吨，储量约为1700万吨，主要集中在智利、阿根廷和玻利维亚等地。
南开大学陈军院士也曾表示：“锂丰度低，资源分布不均匀，约70％集中在南美洲，我国80％的锂资源依赖进口，引发了人们对锂储量的普遍担忧。另外，锂离子电池的安全隐患也难以满足大规模储能的应用需求。”
图：全球锂资源分布
随着新能源汽车产业的迅速发展，锂电池的需求量不断增大，锂资源面临着前所未有的紧张局面。因此，寻找替代锂电池的储能技术已经势在必行。同为碱金属的钠，在地壳中储量高达2．36％，资源丰富，且成本低廉，具备大规模应用的发展潜力。钠离子电池“重出江湖”，受到多方关注和重视，成为储能市场新的风口。
图：地壳中部分化学元素丰度 ［3］
图：用于电池的元素资源
如前所述，钠离子电池最大的优势，就是钠资源储量丰富，这也让钠离子电池相较于锂离子电池在成本上更具优势。然而，在化学元素周期表中，锂在第二周期，钠在第三周期。从物理化学性质来看，钠离子质量和半径更大，较之锂离子更活泼。
因此，钠离子电池能量密度较低，在电池制作的过程中需要更多的辅材和制造成本。据研究估算显示，钠离子电池所需辅材和制造成本占总成本75％。宁德时代董事长曾毓群也表示，该公司新推出的钠电池可能比锂电池更贵。这也意味着，目前来看，较之锂离子电池，钠离子电池并没有太大的价格优势。钠电池想要更具成本竞争优势，就必须发展高能量密度和低价格辅材的钠离子电池体系，进一步降低钠电池生产成本。
图：锂离子电池（LIB）与钠离子电池（SIB）成本对比 ［2］
在工作原理上，钠离子电池与锂离子电池极具相似性。钠离子电池充电过程中，正极材料发生氧化反应，失去电子，同时钠离子从正极脱嵌。电子补偿电荷通过外电路到达负极，钠离子也通过电解液迁移至负极。放电时则相反。
图：钠离子电池工作原理 ［3］
钠离子电池主要由正极、负极和电解液组成，正负极材料是电池的核心。正负极材料的比容量和电位差决定了电池的比能量，电极材料结构和电解液电化学性能的稳定性也影响着电池的循环寿命。电池正负极材料的选择和研究对提升钠离子电池比能量、循环寿命和倍率性能至关重要。
图：钠离子电池正、负极材料的比容量和电压
正极材料
金属氧化物成本低、合成工艺简单，包括P2层状氧化物、O3层状氧化物和三维隧道型氧化物；
聚阴离子类材料结构框架稳定、比容量适中、工作电压高；
普鲁士蓝材料的隧道结构较大，有利于钠离子充放电脱嵌。
负极材料
肽基层状氧化物具有良好的循环性能和倍率性能；
碳材料成本低、合成简单、性能稳定，且原料丰富；
图：钠离子电池系统
钠离子电池的性能跟其电极材料的电化学性能息息相关，然而早期被设计开发出来的电极材料性能不理想，这也是钠离子电池发展缓慢迟滞的原因之一。
钠离子电池储量丰富，一旦工艺成熟，必然意味着成本的降低。其次，钠离子电池安全性高，过充、过放、短路、针刺、挤压等安全测试均能顺利通过，不易起火和爆炸。虽然钠电池兼具上述优势，但其能量密度也明显低于磷酸铁锂电池与三元电池，无法适用于新能源汽车领域。随着新能源汽车市场的不断扩大，动力电池的需求量日益增加，锂电池仍然会是市场的首选。
从长远来看，我们现在谈论钠电池替代锂电池还为时尚早，两者因为性能不同必然会走向不同的市场定位。在新能源汽车、智能手机等对电池重量和能量密度要求较高的领域，在未来很长一段时间，锂离子电池仍会是市场的主流。而在对这些参数要求不高的领域，钠离子电池将会发挥自身优势，逐渐取得市场认可。
参考
［1］《钠离子电池先进功能材料的研究进展》 向兴德等
［2］《钠离子电池机遇与挑战》 曹余良
［3］《钠离子电池标准制定的必要性》 周权等
［4］《Building High Power Density of Sodium－Ion Batteries： Importance of Multidimensional Diffusion Pathways in Cathode Materials》 Mingzhe Chen
