單擊此處添加副標(biāo)題鈉離子電池技術(shù)的發(fā)展與商業(yè)化進(jìn)程研究背景關(guān)鍵材料與技術(shù)商業(yè)化進(jìn)程結(jié)論與展望目錄CONTENT研究背景11、研究背景

化石能源逐漸枯竭能源短缺化石能源燃燒一環(huán)境污染開(kāi)發(fā)新能源太陽(yáng)能，風(fēng)能等是可再生清潔能源，具有總量大，能量密度低，隨機(jī)性，間歇性等特點(diǎn)，容易受到自然條件的限制。因此并不能較好的利用它們。能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)的可充電電池具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益。鋰離子電池1、研究背景高能量密度循環(huán)壽命長(zhǎng)工作電壓高無(wú)記憶效應(yīng)工作溫度范圍寬自放電小鋰離子電池優(yōu)點(diǎn)電子產(chǎn)品動(dòng)力汽車能源儲(chǔ)能電子工具1、研究背景雖然是作為最先進(jìn)的儲(chǔ)能二次電池的鋰離子電池，已廣泛應(yīng)用于小型電子產(chǎn)品并有可能成為未來(lái)新能源汽車的動(dòng)力電池以及大規(guī)模儲(chǔ)能工程的配套電源。但是鋰離子電池又有其存在的問(wèn)題:1安全性問(wèn)題2成本問(wèn)題3鋰資源短缺1、研究背景鋰的資源問(wèn)題全球鋰資源基礎(chǔ)儲(chǔ)量（碳酸鋰）約為58M噸，可開(kāi)采儲(chǔ)量約為25M噸。目前全球碳酸鋰年消耗量約為7至8萬(wàn)噸，預(yù)計(jì)可開(kāi)采時(shí)間不過(guò)50多年。中國(guó)大多數(shù)鋰資源集中于青海、四川、西藏等海拔4000米以上的區(qū)域，開(kāi)發(fā)利用困難。1、研究背景基于上訴原因，研究人員又將目光投向了與鋰同一主族的納上面。同鋰離子電池相比，鈉離子電池更適合作為大規(guī)模儲(chǔ)能的器件，其具有三個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):1.

相對(duì)于鋰元素而言，鈉元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位高0.3V，作為儲(chǔ)能材料而言有更好的安全性能；2.鈉元素在地球上的儲(chǔ)量豐富，地殼中金屬鈉的含量達(dá)到了2.64%，并且鈉元素分布廣泛，海水中就存在有豐富儲(chǔ)量，開(kāi)發(fā)方便；3.鈉單質(zhì)價(jià)格非常便宜。關(guān)鍵材料與技術(shù)單擊此處添加文本具體內(nèi)容22、關(guān)鍵材料與技術(shù)鈉離子電池的技術(shù)難度之一

鈉離子電池的離子半徑（r=0.113nm）較鋰離子（r=0.076）至少大35%以上，由此而引起：1.在晶格中相對(duì)穩(wěn)定，難于可逆脫嵌；2.即使能夠?qū)崿F(xiàn)可逆脫嵌，動(dòng)力學(xué)速度很慢。2、關(guān)鍵材料與技術(shù)鈉離子電池的技術(shù)難度之二

發(fā)展鈉離子電池的難點(diǎn)在于材料，更難的是不知道如何去尋找材料：1.缺乏理論指導(dǎo)；2.缺乏具有示范意義的材料體系。2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-負(fù)極鈉離子電池負(fù)極材料金屬氧化物有機(jī)負(fù)極材料基于轉(zhuǎn)化及合金化反應(yīng)的負(fù)極材料碳基負(fù)極材料2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-負(fù)極金屬氧化物金屬氧化物具有穩(wěn)固的無(wú)機(jī)骨架結(jié)構(gòu)往往展現(xiàn)出超長(zhǎng)的循環(huán)壽命，但因其具有相對(duì)較高的分子質(zhì)量，所以比容量一般都偏低，難以滿足商業(yè)化的需要。非晶態(tài)金屬氧化物圖1.非晶態(tài)金屬氧化物納米片的合成圖2.非晶態(tài)FeOx納米片作為SIBs負(fù)極的電化學(xué)性質(zhì)圖3.非晶態(tài)FeOx電極的鈉離子存儲(chǔ)機(jī)理/10.1016/j.xcrp.2020.1001182、關(guān)鍵材料與技術(shù)-負(fù)極有機(jī)負(fù)極材料有機(jī)負(fù)極材料最大的特點(diǎn)就是成本低且結(jié)構(gòu)多樣，但是仍然存在很多問(wèn)題，包括：較低的首圈庫(kù)倫效率、循環(huán)過(guò)程中的極化問(wèn)題、低電子電導(dǎo)、有機(jī)分子在電解質(zhì)中的溶解問(wèn)題等等。總的來(lái)說(shuō)，有機(jī)鈉離子電池的發(fā)展具有很大潛力，但目前對(duì)這類材料的研究仍然處在起步階段。/10.1002/anie.2020033862、關(guān)鍵材料與技術(shù)-負(fù)極基于轉(zhuǎn)化及合金化反應(yīng)的負(fù)極材料基于轉(zhuǎn)化及合金化反應(yīng)的負(fù)極材料存在的最大問(wèn)題即是脫嵌鈉過(guò)程中巨大的體積變化導(dǎo)致活性物質(zhì)的粉化，致使容量迅速衰減。圖一.與鈉發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)的圖式說(shuō)明MaXb+(b?z)Na?aM+bNazX/10.1002/smll.201703671M=Fe、Co、Ni轉(zhuǎn)化反應(yīng)M=Sn、Sb、Bi合金反應(yīng)2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-負(fù)極碳基負(fù)極材料碳基負(fù)極材料主要是指無(wú)定形碳（包括硬碳和軟碳）目前主要的工作集中于抑制循環(huán)過(guò)程中的容量衰減以及提升首圈庫(kù)倫效率。軟碳以及還原石墨烯氧化物的比容量可以做到很高，但是相應(yīng)的工作電壓也高。因此對(duì)這些材料的研究重點(diǎn)除了提升首圈庫(kù)倫效率，還需要進(jìn)一步降低工作電壓。從圖中可以看出，硬碳（HC）通常工作電位較低且具有比較高的容量，也因此，目前商業(yè)化的鈉離子電池產(chǎn)品所使用的負(fù)極幾乎都是硬碳。圖一.與鈉發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)的圖式說(shuō)明2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-正極鈉離子電池正極材料層狀過(guò)渡金屬氧化物聚陰離子材料普魯士藍(lán)類似物有機(jī)正極材料2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-正極

層狀過(guò)渡金屬氧化物層狀過(guò)渡金屬氧化物材料可以實(shí)現(xiàn)極佳的電化學(xué)性能（較高的比容量、工作電壓以及大于1000圈的循環(huán)壽命），其過(guò)渡金屬元素往往包含地殼中含量豐富的元素，而且合成過(guò)程簡(jiǎn)單，可以滿足規(guī)模化生產(chǎn)的要求。2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-正極

聚陰離子材料聚陰離子材料工作電壓高（對(duì)鈉電壓可高達(dá)4V），并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，缺點(diǎn)是離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)率較低，而且較大的分子質(zhì)量也拉低了比容量。其中兩種快離子導(dǎo)體材料Na3V2(PO4)3和Na3V2O2x(PO4)2F3-2x因具有相當(dāng)好的倍率性能和循環(huán)壽命在眾多聚陰離子材料中脫穎而出。但是這些材料中的變價(jià)元素V具有一定毒性。圖一.NVPF@C和p-NVPF正極的全電池性能對(duì)比/10.1016/j.scib.2020.01.0182、關(guān)鍵材料與技術(shù)-正極

普魯士藍(lán)類似物普魯士藍(lán)類似物具有開(kāi)放式的骨架結(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，骨架內(nèi)具有大量的氧化還原位點(diǎn)。目前這類材料可以實(shí)現(xiàn)很高的能量密度（大約500–600Whkg-1），而且可以通過(guò)較低的溫度合成。但是這種材料由于導(dǎo)電性不好需要加入大量碳，這降低了體積比容量。圖一.a）傳統(tǒng)普魯士藍(lán)（PB-Bulk）的合成示意圖。（b）自模板合成普魯士白分級(jí)納米管（PW-HN）的示意圖。/10.1002/adfm.201806405圖二.電化學(xué)性能2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-正極

有機(jī)正極材料有機(jī)正極材料不含過(guò)渡金屬元素，成本更低并且具有更小的分子量，另外還具有結(jié)構(gòu)多樣性、安全性，機(jī)械柔性等。羰基化合物（PTCDA和硫氰酸二鈉）是近年來(lái)被研究最廣泛的一類有機(jī)正極材料，其主要的缺點(diǎn)是會(huì)溶于有機(jī)電解液導(dǎo)致容量迅速衰減，其較低的電導(dǎo)率也導(dǎo)致倍率性能不佳。目前此類材料的發(fā)展也出于起始階段。圖一.卟啉配合物在充放電過(guò)程中的工作原理，R?=苯基，M=2H或Cu。/10.1007/s40820-021-00593-82、關(guān)鍵材料與技術(shù)-電解液

鈉離子電池電解質(zhì)水系電解質(zhì)有機(jī)系電解質(zhì)固態(tài)電解質(zhì)2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-電解液水系電解質(zhì)水系電解質(zhì)由于其狹小的電化學(xué)穩(wěn)定窗口(<1.23V)，受限于水分解反應(yīng)。只有那些在相對(duì)較高電勢(shì)下操作的負(fù)極材料才能在水系鈉離子電池下使用。其中，有鈉超離子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的NaTi2(PO4)3循環(huán)壽命長(zhǎng)，被廣泛研究。然而，其電勢(shì)(2.1VvsNa)稍稍低于析氫電勢(shì)(2.297VvsNa)，在NaTi2(PO4)3負(fù)極構(gòu)筑的水系鈉離子電池中不可避免地會(huì)發(fā)生水分解。圖一.鈉基水系電解質(zhì)全電池的電化學(xué)性能Na0.66[Mn0.66Ti0.34]O2/NaTi2(PO4)3/10.1002/aenm.2017011892、關(guān)鍵材料與技術(shù)-電解液有機(jī)系電解質(zhì)有機(jī)系電解質(zhì)仍然是發(fā)展最成熟的體系。目前最常見(jiàn)的溶劑是EC:PC、EC:DEC也有部分電解液使用PC作單一溶劑。NaClO4則是目前使用最多的鈉鹽，它具有良好的電化學(xué)行為，成本低，但是缺點(diǎn)是有爆炸的危險(xiǎn)。FEC是最常用的添加劑，有利于在負(fù)極形成薄且穩(wěn)定的SEI。圖一.NVP@C材料不同電流下的充放電循環(huán)測(cè)試/10.1039/c8cc00365c2、關(guān)鍵材料與技術(shù)-電解液固態(tài)電解質(zhì)圖一.NVP@C材料不同電流下的充放電循環(huán)測(cè)試全固態(tài)鈉離子電池由于具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)和安全優(yōu)勢(shì)而適用于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上采用高能量正負(fù)極活性材料，并采取堆疊的雙極電池構(gòu)型，即可得到具有更高體積能量密度和質(zhì)量能量密度的單體電池。圖二.Na4-xSn1-xSbxS4的(a)充放電曲線；(b)倍率性能測(cè)試/10.1039/c8cc00365c商業(yè)化進(jìn)程單擊此處添加文本具體內(nèi)容33、商業(yè)化進(jìn)程7月29日，寧德時(shí)代用一場(chǎng)10分鐘的線上發(fā)布會(huì)，為我們揭開(kāi)其第一代鈉離子電池的“神秘面紗”據(jù)寧德時(shí)代的發(fā)布數(shù)據(jù)，第一代鈉離子電池電芯單體能量密度可達(dá)160Wh/kg（鐵鋰180Wh/kg）；常溫下充電15分鐘，電量可達(dá)80%以上；在-20℃低溫環(huán)境中，擁有90%以上的放電保持率；系統(tǒng)集成效率可達(dá)80%以上；熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)超國(guó)家強(qiáng)標(biāo)的安全要求。3、商業(yè)化進(jìn)程

也正是基于以上特征，此前被認(rèn)為難以應(yīng)用在新能源汽車場(chǎng)景上的鈉電池，寧德時(shí)代真就做成了新能源汽車的電池包。3、商業(yè)化進(jìn)程

鋰鈉混搭電池包（AB電池解決方案）在寧德時(shí)代鈉離子電池發(fā)布會(huì)中首次亮相，在一個(gè)電池包中搭載了鋰離子電池和鈉離子電池“合二為一”，實(shí)現(xiàn)了鋰鈉電池的集成混合共用。據(jù)悉，寧德時(shí)代的第一代鈉離子電池已開(kāi)始與車企和儲(chǔ)能客戶進(jìn)行商業(yè)化合作，并將于2023年形成鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈。3、商業(yè)化進(jìn)程

2020年12月8日，CCTV2財(cái)經(jīng)頻道《經(jīng)濟(jì)半小時(shí)》欄目播出的《新能源跑出“加速度”》節(jié)目中，報(bào)道了我國(guó)新能源電池的技術(shù)突破，其中在儲(chǔ)能電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面，提到中科院物理所研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的鈉離子電池已經(jīng)開(kāi)啟商業(yè)化之路。中科海鈉開(kāi)發(fā)的鈉離子電池綜合性能（能量密度已接近150Wh/kg、循環(huán)壽命達(dá)4500次以上，高低溫性能優(yōu)異、安全性高、具備快充能力）處于國(guó)際領(lǐng)先水平3、商業(yè)化進(jìn)程

在性能方面，室溫非水系NIB已經(jīng)具替代部分鋰離子電池的能力。此外，考慮到它們?nèi)蕴幱谏虡I(yè)化初期，而且大多數(shù)研究工作都集中在電極活性材料上，電解質(zhì)、粘合劑、集電器和其他電