2023鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及行業(yè)全面調(diào)研分析

• 黃文玉 2023年6月26日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 1429 94
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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)來工作，與鋰離子電池工作原理相似。2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。

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)來工作，與鋰離子電池工作原理相似。2022年度化學(xué)領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。

現(xiàn)有的二次電池技術(shù)都還不能滿足大規(guī)模儲能的要求。例如：鉛酸、鎘鎳電池含有大量有害的重金屬元素，大規(guī)模應(yīng)用會在生產(chǎn)和廢棄階段造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，而且對環(huán)境溫度要求嚴(yán)格，僅適用室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境;鎳氫電池由于采用了昂貴的稀有金屬，價(jià)格上難于滿足大規(guī)模儲電的成本要求。全釩液流電池除了采用了貴金屬外，還有毒性和腐蝕性的問題;鈉硫電池因?yàn)樾枰邷?，液態(tài)硫和金屬鈉對氧化鋁隔膜具強(qiáng)腐蝕性，容易造成燃燒事故。

相比于上述的傳統(tǒng)二次電池，有機(jī)系離子電池以離子在正負(fù)極的嵌入脫出和在兩極間擴(kuò)散作為充放電基本原理，具有能量密度高，倍率高和循環(huán)壽命長的特點(diǎn)。在性能上可以滿足儲能系統(tǒng)的技術(shù)要求。然而，由于其大量使用易燃的有機(jī)電解質(zhì)，在生產(chǎn)和使用過程中會造成爆燃事故，有安全性問題缺陷。而水系離子電池由于采用中性的鹽水溶液作為電解質(zhì)，既避免了有機(jī)電解質(zhì)的易燃問題，又克服了傳統(tǒng)水系電池的高污染，壽命短(如鉛酸電池)和價(jià)格昂貴(鎳氫電池)的缺點(diǎn)，是能夠滿足大型儲能技術(shù)要求的理想體系之一。

鈉離子電池行業(yè)發(fā)展概況分析

鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時(shí)起步，早在20世紀(jì)80年代，人們就開展了有機(jī)系鈉離子電池正負(fù)極材料的研究。但是與有機(jī)系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應(yīng)用于有機(jī)系鋰離子電池中的正負(fù)極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負(fù)極間離子嵌入一脫出反應(yīng)的“搖椅式”機(jī)理作為充放電反應(yīng)機(jī)理，可是因?yàn)殁c的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應(yīng)困難。而且，負(fù)極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應(yīng)過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。直到近年，在容量利用率和循環(huán)壽命方面基本滿足要求的有機(jī)系鈉離子電池用負(fù)極材料才被開發(fā)出來。

早在150多年前，剛發(fā)明的鉛酸電池就是使用水系電解液對的。后來，Dahn小組1994年首次報(bào)道了以LiMn2O4作正極、VO2作負(fù)極、Li2SO4水溶液為電解質(zhì)的水系鋰離子電池，提出利用兩電極間離子嵌入反應(yīng)構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想，此后在此反應(yīng)原理基礎(chǔ)上開始水系鈉離子電池的設(shè)計(jì)及材料研制。

2005年，夏永姚課題組報(bào)道了以LiMn2O4作正極、活性炭為負(fù)極的非對稱電容電池，隨后他們又再次研發(fā)了以LiMn2O4作正極在鈉、鋰混合離子電解質(zhì)中的水系離子電池，進(jìn)一步推動(dòng)了對水系電池的研究。電池的制造成本及運(yùn)行安全可靠性通常是大規(guī)模儲能技術(shù)應(yīng)用的首要考慮因素。盡管鈉離子電池在有機(jī)電解液體系下具有較高的能量密度和輸出電壓，但是有機(jī)電解液的高成本、易揮發(fā)、易燃及生產(chǎn)復(fù)雜等缺點(diǎn)是其在大規(guī)模儲能應(yīng)用時(shí)面臨的瓶頸。所以當(dāng)我們使用比有機(jī)電解質(zhì)更快的離子遷移速率的水溶液電解質(zhì)時(shí)，既能降低電池的制備成本也能夠在安全性、功率密度和環(huán)境兼容性等方面有所改善。可惜最大的缺點(diǎn)是水溶液電解質(zhì)的工作電壓窗口比較窄。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年中國鈉離子電池行業(yè)發(fā)展分析及投資戰(zhàn)略預(yù)測報(bào)告》顯示：

目前，國內(nèi)外的一些研究者越來越多的開展對水系鈉離子電池的探索了。例如2007年Sauvage等發(fā)現(xiàn)了Na0.44MnO2在水溶液電解質(zhì)中的嵌脫鈉機(jī)制。然后，2010年Whitacre等報(bào)道了以Na0.44MnO2為正極、活性炭為負(fù)極及Na2SO4水溶液作電解質(zhì)的水系鈉離子電池。另外，水系鈉離子電池的研究是新電池體系的一個(gè)優(yōu)化和前進(jìn)過程，在實(shí)際應(yīng)用中還面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要我們繼續(xù)在制備工藝、電極材料的選擇改進(jìn)以及全電池的匹配上作出更多的努力，早日實(shí)現(xiàn)水系鈉離子電池的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

在水系電解質(zhì)體系中，存在水電解引起的負(fù)極析氫和正極析氧的副反應(yīng)。由于水的熱力學(xué)電化學(xué)窗口為1.23V，為了避免水電解反應(yīng)的發(fā)生，即使考慮到動(dòng)力學(xué)因素，水系鈉離子電池的電壓通常在1.5V左右，最高也不能高于1.8V。而且，在電極材料的選擇上也必須考慮要抑制水分解副反應(yīng)的影響。正極材料嵌鈉反應(yīng)的電位要低于水的析氧過電位，而負(fù)極材料的嵌鈉反應(yīng)的電位應(yīng)高于水的析氫過電位，這就限制了許多在有機(jī)系電解質(zhì)中表現(xiàn)良好的儲鈉正負(fù)極材料的應(yīng)用。另外，許多鈉鹽化合物在水中的溶解度很大，或遇水容易分解，進(jìn)一步限制了儲鈉材料的選擇。自從1994年，DAHN等制作了以V205為負(fù)極、LiMn204為正極、Li2S04/H20為電解質(zhì)的鋰離子電池，首次提出利用兩極間離子嵌入反應(yīng)構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想之后，水系鈉離子電池的設(shè)計(jì)和材料研制就在此反應(yīng)原理基礎(chǔ)上展開。

鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

近年來，水系離子(鋰、鈉等)電池的研發(fā)越來越受到關(guān)注。但是，地球上的鋰資源實(shí)際上是難以支撐大型儲能系統(tǒng)的應(yīng)用需求的。于是，與鋰的化學(xué)性能類似的鈉被認(rèn)為能夠替代鋰適用于水系離子電池體系。鈉是地球上儲量最豐富的資源之一，可以說是用之不竭。價(jià)格也顯著降低，通常為鋰鹽的1/10。因此，水系電解質(zhì)的鈉離子電池被認(rèn)為是最有潛力的適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)的電池之一，成為最近業(yè)界研究工作的焦點(diǎn)。

實(shí)際上，鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時(shí)起步，早在20世紀(jì)80年代，人們就開展了有機(jī)系鈉離子電池正負(fù)極材料的研究。但是與有機(jī)系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應(yīng)用于有機(jī)系鋰離子電池中的正負(fù)極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負(fù)極間離子嵌入-脫出反應(yīng)的“搖椅式”機(jī)理作為充放電反應(yīng)機(jī)理，可是因?yàn)殁c的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應(yīng)困難。而且，負(fù)極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應(yīng)過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。

數(shù)據(jù)顯示，2019年我國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模僅為0.8億元，隨著水系鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，該行業(yè)市場規(guī)模發(fā)展迅速，2021年中國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模將達(dá)到6.5億元。

在2021年發(fā)布的《關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的提案》中，提到鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業(yè)、通信、建筑、軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵支撐之一。

鈉離子電池行業(yè)發(fā)展特點(diǎn)分析

水系鈉離子電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化時(shí)間都很短，技術(shù)層面還存在很多難題有待攻克。其主要問題有以下幾點(diǎn)。

(1)水是最常見的液體，同時(shí)也是常見液體中極性最強(qiáng)的。在水溶液中循環(huán)使用的電池，必須克服電極材料在水溶液中的溶解以及鹽溶液對電極的長期(10-20年)持續(xù)不斷的緩慢腐蝕。解決這一問題的途徑不一，可以是開發(fā)新型的耐腐材料;亦可以是從電池設(shè)計(jì)的角度考慮，加強(qiáng)電極的成型后的強(qiáng)度以抗抵水溶液的侵蝕;

(2)由于水的理論電解電壓只有1.23V，因此極大地限制了水系鈉離子電池的質(zhì)量比能量。目前已見報(bào)道的這類產(chǎn)品質(zhì)量比能量均不超過25W·h/kg，比鉛酸蓄電池還低。在電解液的分解電壓不變的前提下，只能通過尋找或創(chuàng)造出更高比容量的正負(fù)極材料，才能提升整個(gè)電池的質(zhì)量比能量;

(3)水系鈉離子電池是一種全新的電池體系，其電極的成型、集流體的選擇、電解液功能添加劑的開發(fā)等等一系列的工藝技術(shù)難題還需要不斷地被攻克，電池性能仍有很大的提升空間。

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