《儲(chǔ)能材料與器件智能制造技術(shù)》鋰離子電池與鈉離子電池當(dāng)我們用手機(jī)與世界實(shí)時(shí)互聯(lián)，駕駛電動(dòng)汽車穿梭城市，或是依靠儲(chǔ)能電站平衡電網(wǎng)負(fù)荷時(shí)，都離不開高性能電池的能量支撐。在眾多電池技術(shù)中，鋰離子電池憑借高能量密度與長循環(huán)壽命，成為當(dāng)下消費(fèi)電子、新能源汽車等領(lǐng)域的“主力軍”；而鈉離子電池則以資源豐富、成本低廉、低溫性能優(yōu)異的特點(diǎn)，被視為未來大規(guī)模儲(chǔ)能和低端動(dòng)力領(lǐng)域的“潛力股”。這兩種電池雖同屬離子電池家族，卻因材料體系與工作原理的差異，在不同場景中發(fā)揮著獨(dú)特價(jià)值。深入了解它們的特性與應(yīng)用，不僅能幫助我們把握能源技術(shù)發(fā)展趨勢，更能窺見人類在可持續(xù)能源領(lǐng)域的不懈探索。鋰離子電池通過鋰離子在正負(fù)極之間來回嵌入和脫嵌進(jìn)行能量釋放和儲(chǔ)存。鋰離子電池的正極通常用具有能容納鋰離子的金屬氧化物粉末涂覆在鋁箔上制成，負(fù)極通常是用具有層狀結(jié)構(gòu)的碳材料涂覆在銅箔上制成，電解液由鋰鹽和碳酸酯類物質(zhì)組成。鋰離子電池的結(jié)構(gòu)及充放電原理如圖所示。鋰離子電池充電時(shí)，正極中的鋰離子通過電解質(zhì)遷移到負(fù)極，與電子結(jié)合。以鈷酸鋰電池為例，其充電時(shí)的正極反應(yīng)為負(fù)極反應(yīng)為總反應(yīng)為以鈷酸鋰電池為例其放電時(shí)的正極反應(yīng)為在這個(gè)充電反應(yīng)中，鋰離子經(jīng)電解質(zhì)從正極遷移到負(fù)極，并在負(fù)極上嵌入石墨層之間的空隙中，形成鋰離子的插層化合物。這個(gè)反應(yīng)是可逆的，鋰離子電池放電時(shí)，負(fù)極炭材料中的鋰放出電子，電子經(jīng)外電路流向正極。鋰離子通過電解質(zhì)遷移到正極，與電子結(jié)合。負(fù)極反應(yīng)為總反應(yīng)為鋰離子電池具有電壓高，重量輕，能量密度大，自放電率低，環(huán)境污染小，充放電速度快，使用溫度范圍寬，循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn)，綜合效率達(dá)93%以上，響應(yīng)時(shí)間達(dá)毫秒級(jí)，是一種綜合性能極為優(yōu)秀的儲(chǔ)能方式，廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)式用電設(shè)備以及大型儲(chǔ)能電站。鋰離子電池的缺點(diǎn)是成本比較高，不耐過充過放，安全性比較差。鋰離子電池的性能很大程度上決定于電極材料的性能，尤其是正極材料。正極材料需要具有鋰離子遷移通道的晶體結(jié)構(gòu)。具有這樣結(jié)構(gòu)的有層狀結(jié)構(gòu)、橄欖石結(jié)構(gòu)和尖晶石結(jié)構(gòu)。目前應(yīng)用最廣泛的正極材料有的LiCoO2、LiNixCoyMn1-x-yO2、尖晶石結(jié)構(gòu)的LiMn2O4、橄欖石結(jié)構(gòu)的LiFePO4等。開發(fā)新型高比能量高安全性而又廉價(jià)的正極材料對鋰離子電池的發(fā)展至關(guān)重要。鋰離子電池其他組成部分還有負(fù)極材料、隔膜、電解液及外殼等。鋰離子電池材料主要包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜四大主材及外殼等輔材，如表所示。

組件材料特性/作用實(shí)例電極正極活性物質(zhì)過渡金屬氧化物電池容量LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiFePO4負(fù)極活性物質(zhì)碳材料、鋰硅錫材料電池容量天然石墨、人造石墨、中間相碳微球、硬碳、軟碳、Li、Si、Sn導(dǎo)電劑碳電子電導(dǎo)乙炔黑黏結(jié)劑聚合物粘結(jié)PVDF、SBR/CMC集流體金屬箔收集電流銅箔、鋁箔隔膜隔膜聚合物隔離正負(fù)極多孔聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）電解液鋰鹽有機(jī)或無機(jī)鋰化合物離子導(dǎo)電LiPF6、LiSF4、LiAsF6、LiClO4、LICF3SO3、Li(CF3SO2)2N電解質(zhì)溶劑有機(jī)溶劑溶解鋰鹽碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PE)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)添加劑有機(jī)化合物SEI膜形成碳酸亞乙烯酯(VC)、聯(lián)苯(BP)其他極耳金屬電極連接鎳極耳外殼鋼、鋁、鋁塑膜容器鋼殼、鋁殼、鋁塑膜安全元件電子器件過充過放保護(hù)安全閥、正溫度系數(shù)(PTC)裝置、保護(hù)電路模塊(PCM)鈉離子電池與鋰離子電池的結(jié)構(gòu)與工作原理非常相似，是以鈉離子在正負(fù)極之間來回嵌入和脫嵌進(jìn)行能量釋放和儲(chǔ)存的。由于鈉離子電池與鋰離子電池結(jié)構(gòu)和工作原理非常相似，其生產(chǎn)工藝也很相似。鈉離子電池正極材料可分為層狀金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物體系。鈉離子電池負(fù)極材料有硬碳，軟碳，鈦基氧化物以及合金等。目前商業(yè)化的鈉離子電池負(fù)極以硬碳材料為主。目前最常見的有機(jī)電解液系的鈉離子電池的電解液與鋰離子電池的電解液成分非常相近，溶劑不變，僅是溶質(zhì)鹽從六氟磷酸鋰改為六氟磷酸鈉，隔膜完全可以使用和鋰離子電池一樣的隔膜。與鋰不同，由于鋁和鈉在低電位不會(huì)發(fā)生合金化反應(yīng)，鈉離子電池正極和負(fù)極的集流體都可使用廉價(jià)的鋁箔而不是成本更高的銅箔。鈉離子原料廉價(jià)易得，因而相比于鋰離子電池其成本優(yōu)勢明顯。鈉離子電池的缺點(diǎn)是循環(huán)性能差，工作電壓低，能量密度低。鈉離子電池目前尚處于起步階段。鋰離子電池鋰離子電池憑借高能量密度和成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，在消費(fèi)電子領(lǐng)域占據(jù)統(tǒng)治地位，全球90%以上的智能手機(jī)、筆記本電腦都采用鋰離子電池供電。在新能源汽車市場，鋰離子電池同樣是主流選擇，特斯拉、比亞迪等車企的主力車型均搭載鋰離子電池。此外，在5G基站、數(shù)據(jù)中心等對能量密度和充放電速度要求較高的儲(chǔ)能場景中，鋰離子電池也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。鈉離子電池鈉離子電池則聚焦于大規(guī)模儲(chǔ)能和對成本敏感的動(dòng)力領(lǐng)域。在電網(wǎng)側(cè)，鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)可用于調(diào)峰、調(diào)頻，平滑可再生能源發(fā)電的波動(dòng)性；在用戶側(cè)，適用于家庭儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車（如電動(dòng)三輪車、電動(dòng)自行車）等場景。例如，在寒冷的北方地區(qū)，鈉離子電池電動(dòng)自行車可有效避免低溫環(huán)境下的續(xù)航驟減問題；在儲(chǔ)能電站中，其低成本優(yōu)勢有助于降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)營成本，推動(dòng)可再生能源的消納與普及。為提升性能，鋰離子電池和鈉離子電池的研發(fā)持續(xù)推進(jìn)。鋰離子電池領(lǐng)域，高鎳三元材料、固態(tài)電解質(zhì)等技術(shù)不斷突破，旨在進(jìn)一步提高能量密度與安全性；鈉離子電池則致力于開發(fā)新型電極材料、優(yōu)化電解液配方，以提升能量密度和循環(huán)壽命。同時(shí)，兩種電池技術(shù)呈現(xiàn)融合發(fā)展趨勢，部分企業(yè)探索“鋰鈉混合電池”，結(jié)合二者優(yōu)勢，滿足不同場景需求。此外，隨著環(huán)保要求提高，電池回收技術(shù)也成為研發(fā)重點(diǎn)，通過物理、化學(xué)方法實(shí)現(xiàn)鋰、鈉等金屬的高效回收，降低資源依賴與環(huán)境污染。鋰離子電池與鈉離子電池，如同新能源賽道上的雙引擎，以各自的技術(shù)特性驅(qū)動(dòng)著不同領(lǐng)域的能源變革。從智能終端的便攜化，到電動(dòng)汽車的普及，再到全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型，它們的身影無處不在。盡管當(dāng)前鋰離子電池占據(jù)