钠离子电池

钠离子电池（SIB）是一种利用钠离子作为电荷传输媒介的二次电池。其工作原理依赖于钠离子在正负极间的迁移来实现充放电过程。该电池的构造包括正负极、电解质、隔膜、集流体、外壳等关键部分。评估其电化学性能的关键参数包括电压、内阻、容量、库伦效率、能量、功率以及倍率性能等。钠离子电池的研究起源于20世纪60年代，1967年高温钠硫电池问世，但由于可靠性不足，研究重点转向了室温钠离子电池，并持续探索其正负极材料。钠离子电池根据电解质体系可分为固态、水系和非水系三种类型。它以其低成本、稳定的电化学性能、良好的热稳定性和安全性而受到关注。 www.qwbaike.cn

2018年，钠离子电池首次被应用于低速电动汽车领域，显示出在储能和低速电动车领域的应用潜力，尽管目前仍处于产业化初期。知名的品牌制造商包括英国的Faradion公司、美国的Natron Energy公司和中国的北京中科海钠科技有限公司等。 www.qwbaike.cn

钠离子电池的基本结构主要由正极、负极、含钠离子的电解质、玻璃纤维隔膜、集流体及外壳等组成。
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正极

在钠离子电池的工作过程中，电子流入的一端称为正极，其性能直接影响电池的整体性能。正极材料通常分为三类：层状过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物和普鲁士蓝类化合物。其中，层状氧化物因其生产工艺与三元锂离子电池正极材料高度兼容，在钠离子电池和锂电正极企业如中科海纳中得到应用。聚阴离子型化合物因其循环稳定性和高工作电压，与储能需求相契合。普鲁士蓝类化合物，作为一种无机颜料，主要在具有颜料背景的化工企业中使用。

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负极

钠离子电池的负极在充放电过程中负责存储钠离子。负极材料主要分为碳材料和非碳材料，后者包括钛基材料、有机类材料和合金类材料。

电解液

钠离子电池的电解液充当正负极间的桥梁，负责载流子在正负极之间的传输。电解液通常由溶剂、钠盐和添加剂组成，其成分对电池的能量密度、循环寿命和倍率性能等方面具有显著影响。

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钠盐成分包括高氯酸钠（NaClO4）、三氟甲磺酸钠（NaFSO3）、六氟磷酸钠等；通常使用的溶剂是碳酸二甲酯（DMC）、碳酸丙烯酯（PC）、碳酸乙烯酯（EC）以及乙二醇二甲醚（DME）等，这些溶剂可以是单一或多种的混合形式。 www.qwbaike.cn
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在钠离子电池中，隔膜作为关键的非活性材料，主要作用是分隔正负极，防止直接接触引发反应，并确保溶剂分子能够渗透，允许溶剂化钠离子快速通过。 www.qwbaike.cn

理想的隔膜应具备良好的电子绝缘性、离子导电性、高机械强度、尽量薄的厚度、良好的化学惰性（不与电解液或正负极反应）以及优秀的热稳定性。隔膜的性能对电池性能至关重要。例如，隔膜厚度影响电池能量密度，过厚降低能量密度，过薄则可能影响电池安全性。此外，隔膜的导电性也影响电池的倍率性能。 www.qwbaike.cn
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常见隔膜类型

市场常见隔膜有PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP隔膜以及陶瓷隔膜（常用玻璃纤维隔膜）等。隔膜孔径一般在0.03-0.12μm之间，孔径分布窄且均匀。 www.qwbaike.cn

集流体：集流体用于收集和传导电子，钠离子电池通常使用铝箔作为集流体，因为铝的价格低于铜。

外壳结构：外壳作为电池的容器，保护内部材料。钠离子电池外壳分为软包和硬壳两种。软包电池通常采用铝塑膜封装，铝塑膜由聚丙烯层、铝箔层、尼龙层组成。聚丙烯层保证封装可靠性及防腐蚀；铝箔层增强结构强度，防止外部水汽渗入和内部电解液渗出；尼龙层防止外界力量对电池造成损害。硬壳电池通常采用铝壳或钢壳封装。 www.qwbaike.cn

钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似。充电时，钠离子从正极材料脱出，释放电子，进入电解液，穿过隔膜，扩散至负极并嵌入活性物质中。正极活性物质因失去电子而电势升高；负极活性物质因富钠而电势降低，整体电池电压上升。电子通过外电路从正极传至负极，参与氧化还原反应。

放电时，钠离子从负极材料释放，穿过电解液和隔膜至正极，电子通过外电路负载从正极传至负极，正极电势降低，负极电势升高。

钠离子电池的特点包括：

1. 相较于锂离子电池，钠离子电池无需使用锂、钴等高价稀有金属，成本较低。
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2. 钠离子电池的运作原理与锂离子电池相似，因此能够利用现有的生产工艺和设备，无需进行额外的设备投资。
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3. 钠离子电池在电化学性能上表现出相对稳定性，且热稳定性佳，其安全运行性能优于锂离子电池。
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4. 钠离子电池具备优良的倍率性能，能够满足动态储能和大规模供电的需求。

评价电池电化学性能的关键指标包括电压、内阻、容量、库伦效率、能量、功率以及倍率性能等。

电压：电压指标包括电动势、额定电压、开路电压、放电电压和终止电压等。

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- 电动势：指钠离子电池正负极间的平衡电位差。

钠离子电池

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- 开路电压：指无外部负载时钠离子电池的电压。

- 工作电压：指钠离子电池在放电过程中的电压。

内阻（EIS）：钠离子电池的内阻是指在工作过程中，电流通过电池内部时遇到的阻力，包括欧姆内阻和极化内阻。 www.qwbaike.cn

容量和比容量：钠离子电池的容量是指在特定放电条件下，电池能够释放的电荷量，以C表示。容量受放电电流大小的影响。比容量是指单位质量或体积的钠离子电池能够释放的电荷量。 www.qwbaike.cn

库伦效率：库伦效率是指钠离子电池放电容量与充电容量之比。在实际应用中，电池的库伦效率通常低于100%。副反应是影响库伦效率的主要因素，而自放电、电极活性物质的脱落、结块以及孔隙收缩等因素也会影响电池的放电容量。

能量密度：钠离子电池的能量密度是指电池所能输出的电能总量。 www.qwbaike.cn

功率：钠离子电池的功率是指电池在单位时间内输出的能量。 www.qwbaike.cn

倍率性能：倍率性能是指钠离子电池在不同电流密度下的放电性能。

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电网储能

- 电源侧应用：钠离子电池储能系统可与火电机组协同工作，提供调频调压服务，增强电网的响应速度和瞬时功率调节能力。在自动发电控制（AGC）系统调度下，钠离子电池储能系统还能与光伏、风力等新能源系统结合，提升电力系统的调节能力，降低弃电率。 www.qwbaike.cn

- 变电站系统应用：在移峰填谷等应用场景中，钠离子电池储能系统因其低成本和高效率的优势，有助于进一步降低输配电损耗。

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- 负荷侧应用：利用钠离子电池储能系统在负荷低谷时段储存能量，在负荷高峰时段释放，提升电网运行的经济性。此外，钠离子电池储能系统具有宽温区特性，能适应不同气候条件，提高分布式电源的渗透率。

尽管如此，钠离子电池在电解质稳定性、电极与电解质界面稳定性、安全问题以及废弃电池回收等方面仍需克服诸多挑战，以实现其在电网储能领域的大规模应用。
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电动汽车

钠离子电池凭借其成本优势和丰富的钠资源储备，有望在微型和轻型电动汽车市场中部分取代磷酸铁锂电池。2018年6月，中国科学院物理研究所成功推出了全球首辆配备钠离子电池的低速电动车。 www.qwbaike.cn

2019年，全球第一条钠离子电池生产线在中国辽宁省启动运营。尽管如此，目前钠离子电池技术在能量密度方面尚未达到电动汽车的全面需求。因此，研发新型的高电压正极材料、优化材料结构并提升其电化学性能，成为推动钠离子电池大规模应用于电动汽车领域的关键挑战。

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