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钠离子电池

钠离子电池（英语：Sodium-ion battery），是一种以钠离子为电荷载体的充电电池，其工作原理及结构与锂离子电池相似，差别只在以在元素周期表同组、化学特性相近的钠取代锂。

钠离子电池
比能75–200 Wh/kg
能量密度250–375 W·h/L
时间耐久性> 10 年
循环耐久性2,000 充电周期
标称电池电压3.0–3.1 V

由于制造锂离子电池所需的物料在资源分布、价格及开采导致的环境破坏等问题，钠离子电池在2010年至2020年代被关注。锂离子电池需要到的锂、钴、铜及镍，在钠离子电池并不是必然需要。

钠离子电池的最大好处就是用作生产所需的资源蕴藏量丰富，但仍须要解决能量密度较低，充电周期较少的问题后才可实用化。

历史

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钠离子电池的研发在1970年代至1980年代间开始。但在1990年代，锂离子电池显得较有可能实用化，因而钠离子电池的研究就慢了下来。

自2010年代早期，因为制造锂离子电池的成本上升，对钠离子电池的研究的投入开始增加。

2021年，宁德时代宣布将会在年内投产自身研发的第一代钠离子电池，提供在有需要的使用场景中使用[1]。能量密度160 Wh/kg，并预计可提高至 200 Wh/kg。预计到 2025 年，钠离子电池容量将增至 10 GWh[2]

原理

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钠离子电池的负极由含有钠的物料造成，作为正极的物料则不一定需要含有钠，电解质是含有钠的极性质子溶剂或极性非质子溶剂。当充电时，钠离子由负极移动到正极，而电子则流经外部电路。当放电时则以相反过程进行。

优势与劣势

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由于钠离子比锂离子更大，所以相对于锂离子电池，能量密度较低，[3][4]因为钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。[5]此外，充电周期较少。但生产成本低，而且较安全。

比较
钠离子电池 锂离子电池 铅酸电池
成本(美元，US$) / (千瓦·时，kWh ) 40–77 (理论价-2019年)[6] 137 (平均价-2020年).[7] 100–300[8]
容积能量密度 (瓦·时/升，W·h/L) 250–375 , 原型数据[9] 200–683 [10] 80–90 [11]
比能 （瓦·时/公斤，W·h/kg） 75–200, 原型数据及产品公报[9][12][13] 120–260[10] 35–40[11]
充电周期（放电深度80%）[a] 数百至数千次[14] 3,500[8] 900[8]
安全性 水性电池—低危险性,

钠碳电池—高危险性

高危险性[b] 危险性一般
物料 蕴藏量丰富 蕴藏量稀少 有毒
周期稳定性 高 (自放电（英语：Self-discharge）低得可以忽略) 高 (自放电低得可以忽略) 一般 (高自放电)
储能效率 高至92%[14] 85–95%[15] 70–90%[16]
运作温度范围[c] −20 °C 至 60 °C[14] 最大范围：−20 °C 至 60 °C.

最佳范围：15 °C 至 35 °C[17]

−20 °C 至 60 °C[18]

注释

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  1. ^ The number of charge-discharge cycles a battery supports depends on multiple considerations, including depth of discharge, rate of discharge, rate of charge, and temperature. The values shown here reflect generally favorable conditions.
  2. ^ See Lithium-ion battery safety.
  3. ^ Temperature affects charging behavior, capacity, and battery lifetime, and affects each of these differently, at different temperature ranges for each. The values given here are general ranges for battery operation.

参考资料

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  1. ^ 存档副本. [2021-06-16]. （原始内容存档于2021-06-27）. 
  2. ^ Sodium-ion battery fleet to grow to 10 GWh by 2025. [2023-07-23]. （原始内容存档于2023-07-23）. 
  3. ^ Palomares, Veronica; et al. Na-ion batteries, recent advances and present challenges to become low cost energy storage systems. In. Energy and Environmental Science. 2012, 5 (3): 5884–5901. doi:10.1039/c2ee02781j. 
  4. ^ Pan, Huilin; et al. Room-temperature stationary sodium-ion batteries for large-scale electric energy storage. Energy and Environmental Science. 2013, 6 (8): 2338–2360. doi:10.1039/c3ee40847g. 
  5. ^ 存档副本. [2021-06-16]. （原始内容存档于2021-12-02）. 
  6. ^ 引用错误：没有为名为:5的参考文献提供内容
  7. ^ Battery Pack Prices Cited Below $100/kWh for the First Time in 2020, While Market Average Sits at $137/kWh. Bloomberg NEF. 16 December 2020 [15 March 2021]. （原始内容存档于2020-12-16）. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Mongird K, Fotedar V, Viswanathan V, Koritarov V, Balducci P, Hadjerioua B, Alam J. Energy Storage Technology and Cost Characterization Report (PDF) (pdf). U.S. Department Of Energy: iix. July 2019 [15 March 2021]. （原始内容存档 (PDF)于2023-09-17）. 
  9. ^ 9.0 9.1 Abraham, K. M. How Comparable Are Sodium-Ion Batteries to Lithium-Ion Counterparts?. ACS Energy Letters (pdf) (American Chemical Society). 23 October 2020, 5 (11): 3546. doi:10.1021/acsenergylett.0c02181  . 
  10. ^ 10.0 10.1 Automotive Li-Ion Batteries: Current Status and Future Perspectives (报告). U.S. Department Of Energy: 26. 2019-01-01 [15 March 2021]. 
  11. ^ 11.0 11.1 May, Geoffrey J.; Davidson, Alistair; Monahov, Boris. Lead batteries for utility energy storage: A review. Journal of Energy Storage. 2018-02-01, 15: 145–157. ISSN 2352-152X. doi:10.1016/j.est.2017.11.008   （英语）. 
  12. ^ CATL Unveils Its Latest Breakthrough Technology by Releasing Its First Generation of Sodium-ion Batteries. www.catl.com. [2023-04-24]. （原始内容存档于2023-10-10）. 
  13. ^ CATL to begin mass production of sodium-ion batteries next year. 29 October 2022 [2023-07-23]. （原始内容存档于2023-04-26）. 
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 Performance. Faradion Limited. [17 March 2021]. （原始内容存档于2018-05-06）. The (round trip) energy efficiency of sodium-ion batteries is 92% at a discharge time of 5 hours. 
  15. ^ Lithium Ion Battery Test - Public Report 5 (PDF) (pdf). ITP Renewables: 13. September 2018 [17 March 2021]. （原始内容存档 (PDF)于2023-05-17）. The data shows all technologies delivering between 85–95% DC round-trip efficiency. 
  16. ^ "Battery Storage Technologies for Electrical Applications: Impact in Stand-Alone Photovoltaic Systems" (pdf). mdpi.com: 13. November 2017 [17 March 2021]. （原始内容存档于2018-07-23）. Lead–acid batteries have a ... round trip-efficiency (RTE) of ~70–90% 
  17. ^ Ma, Shuai. "Temperature effect and thermal impact in lithium-ion batteries: A review". Progress in Natural Science: Materials International (pdf). December 2018, 28 (6): 653–666. S2CID 115675281. doi:10.1016/j.pnsc.2018.11.002  . 
  18. ^ Hutchinson, Ronda. Temperature effects on sealed lead acid batteries and charging techniques to prolong cycle life (PDF) (pdf). Sandia National Labs: SAND2004–3149, 975252. June 2004 [17 March 2021]. S2CID 111233540. doi:10.2172/975252. （原始内容存档 (PDF)于2023-03-27）. 

参见

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