在电化学储能领域中，锂离子电池占据了主导地位，我国的装机容量占比高达91%，但随着锂电池市场规模的不断扩大，锂资源短缺的矛盾逐渐显现。而钠离 子电池因资源丰富、价格低廉、安全性高等优点而备受瞩目，是锂离子电池的重要补充和战略储备。

钠离子电池技术特点及优势

因自然界中钠元素含量丰富，因而钠离子电池上游原材料相对便宜（如碳酸钠原料的价格始终维持在约0.3万元／吨），它可以有效补充锂离子电池技术。电芯层面上，钠离子电池正极材料的组成元素主要为Na、Cu、Fe和Mn，其价格均较为低廉且来源广泛，相较于锂离子电池正极材料的构成元素Li、Ni、Co等成本优势明显；负极材料多为碳基材料，通常以无烟煤生物质、酚醛树脂等作为前驱体经过高温碳化得到，其原材料来源广泛、价格低廉，且碳化工艺（约1200℃）相比于石墨负极的石墨化工艺（约2800℃）较为简单；集流体方面可以使用价格更为低廉的铝箔来代替铜箔，进一步降低了钠离子电池的成本。

在工作原理方面，钠离子电池与锂离子电池相似，在充电过程中，Na⁺从正极材料中脱出，经过电解液，穿过隔膜，并嵌入负极材料；在放电过程中，Na⁺则从负极材料中脱出，再次经过电解液和隔膜回到正极材料。同时，在充放电过程中，外电路中会传递相同数量的电子，维持电池系统的电荷平衡。

因此结合钠离子电池本身的特性，具有以下特点及优势：

1.锂离子电池的生产设备经过简单的改进便可用于钠离子电池生产，设备和工艺投入少，为锂电向钠电的转型提供了硬件支撑；

2.相较于锂离子，钠离子的溶剂化能低，界面离子扩散能力较强，电解液的离子电导率更高。由此，钠离子电池的倍率性能较好，可实现高功率输入和输出；

3.钠离子电池具有更加良好的高低温性能，可在宽温(-40℃~80℃)条件下安全工作；

4.钠离子电池在安全项目测试中呈现较好的安全性能。

当前钠离子电池发展还有哪些挑战？

目前钠离子电池的产业化正在飞速发展中，但还有一些挑战需要克服，主要包含以下几个方面：

1.循环寿命需进一步提升，当前已商业化的钠离子电池循环圈数大多低于1000次，远低于预期水平（6000次以上）；

2.电极材料实际容量与理论容量仍存在一定差距，尤其负极材料的首圈库伦 效率及容量，这导致实际能量密度与理论能量密度也存在较大差距；

3.进一步发挥Na⁺低溶剂化能的优势，实现数分钟级别（6C以上）快充快放；

4.构建钠离子电池老化、失效及热失控模型，进一步提升钠离子电池安全性能；

5.优化钠离子电池各组件生产及组装工艺，充分发挥钠离子电池原料低成本优势，进而实现规模化应用。

一、电极材料

1.氧化物类材料结构不稳定，表面副反应较多。相比于锂离子电池，钠离子电池由于钠的碱度增加、亲水性和可溶性提高，其电极材料在空气中的稳定性更差；

2.普鲁士蓝类材料结构缺陷多，晶格水含量高。在普鲁士蓝材料的制备过程中，大都采用简便的化学沉淀法，这会导致普鲁士蓝材料晶格水化，晶体框架中存在大量空位和配位水分子，这会对普鲁士蓝材料的电化学性能产生各种不利影响；

3.聚阴离子类材料本征电子电导率偏低。其晶体结构是一种八面体与四面体相互连接而形成的三维框架结构，这导致电子在其内部的迁移动力学较差，即本征电子电导率较低；

4.碳基材料库伦效率低、电化学机制不明确。碳基材料作为目前钠离子电池应用最为广泛的负极材料，其电化学性能已经得到了长足的进步。但是，碳基负极材料在充放电过程中，由于副反应或者不可逆嵌入反应的发生，导致其库伦效 率较低，尤其是首圈库伦效率，距离商业化标准还有一定距离。

二、电解液、隔膜、电芯

1.电解液核心问题主要集中在离子电导率、工作温度范围、电压窗口、电化学稳定性、电解质各组分的作用机制与相容特性。目前，钠离子电解液多以有机溶剂为载体，其中添加一定浓度的钠盐。钠盐在有机溶剂中的溶剂化能力、溶解性、稳定性，以及，在宽工作温区条件下，有机溶剂的易挥发性、不稳定性、凝 固性等，均需要对电解液中溶剂或钠盐各组分之间作用机制与相容特性进一步探究；

2.目前已商业化的电池隔膜主要有聚乙烯（PP）和聚丙烯（PP）隔膜，其拥有优异的机械性能、化学稳定性以及低廉的价格，然而由于固有的缺点，其热稳定性差，对钠离子电池电解液的润湿性能也很差，不太适用于钠离子电池，因此，需要寻找新的可以与钠离子电池体系匹配的隔膜显得尤为重要。发展低成本、高安全、可大规模生产的钠离子电池隔膜值得探讨。需要探究隔膜中孔分布与电解液浸润之间的关系；而隔膜中多孔结构的分布会直接对其机械强度产生影响，进而影响隔膜对正负极的隔离作用，对电池的安全性产生影响。此外，极端条件下隔膜的性质，如高温下的收缩性、低温下的脆性等，都是影响应用范围的重要因素；

3.钠离子电池器件核心问题是电芯老化、失效机理。相比技术成熟的锂离子电池，商业化钠离子电池仍处于起步阶段，关于其电芯老化、失效机理仍不明确，尤其是在大规模钠离子电池储能电站中的老化、失效行为。

钠离子电池研究方向

总结

重点发展超长循环寿命钠离子电池关键技术，主要包括：电极材料晶体结构调控、微观结构设计、制备方法优化，由此获得结构稳定、均匀性良好且制备工艺简单、绿色环保的高性能电极材料；兼容性良好、无副反应的低浓度、多元电解液，构建稳定的电解液／电极材料体系。

另一个重点发展方向是进一步提升钠离子电池的能量密度（＞200Wh／kg），旨在发展高电压正极材料（氧化物、氟磷酸盐）和磷基负极或无负极技术，实现高 电压正极与低电压、高容量负极材料之间的适配；固态钠离子电池，取代传统电解液和隔膜，减小钠离子电池质量的基础上，争取使用含金属钠复合负极，构建 高工作电压的钠离子电池；双极性电池、无模组电池包技术，有效减小钠离子电池储能系统的总质量，提升电池组的总能量密度。

参考来源：

1.钠离子电池关键材料与器件，余彦、李奇飞、芮先宏、姚雨（中国科学基金）；

2.钠离子电池储能技术及经济性分析，张平、康利斌、王明菊（储能科学与技术）；

3.钠离子电池：从基础研究到工程化探索，容晓晖、陆雅翔、戚兴国（储能科学与技术）。

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