可以预见,未来对于锂资源的消费增量无疑是巨大的 。
虽然目前锂资源的消耗还远未枯竭 , 但是我们应该居安思危,将宝贵的锂资源留给对比能量要求更高和高附加值的便携式电子器件和电动汽车产业,尽早研发下一代在资源和成本上都更有优势的新型储能电池—钠离子电池 。
5、钠电池的优势
众所周知,金属钠元素在地壳中储量相对丰富(地壳中钠含量约为2.75%,而锂含量约为0.065‰,图2) , 且分布区域广泛(钠分布于全球各地,而约70%的锂却集中分布在南美洲地区) 。
同时,钠和锂的物理化学性质相似且脱/嵌机制类似,因此钠离子电池的研究与开发有望在一定程度上缓解由于锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题 。
除了资源丰富易得、成本低廉、分布广泛的优势外,和锂离子电池相比,钠电池更具有安全优势,钠电池热失控温度高于锂电池,且更容易钝化、氧化,不易产生易燃现象,而这正是锂电池的主要弊端 。
在电池体系中,钠不会与铝发生电化学合金化反应,因此钠离子电池可以采用铝箔作为负极集流体(替代锂离子电池体系中铜箔集流体) , 这样可以有效避免过放电引起的集流体氧化问题 , 既有利于电池的安全,又达到了进一步降低电池成本的目的 。
另一方面 , 钠电池充电速度比锂电池要快许多,在高温、低温等条件下都能稳定充放电,优于锂电池 。
而且钠电池的制造成本更低廉,这也是它被当成锂代替品的重要原因 。
6、钠电池的劣势
当然钠离子电池也存在着不可忽视的缺陷 , 如钠元素的相对原子质量比锂元素大很多,而且钠离子半径比锂离子半径大,这使得钠离子电池的能量密度和功率密度比锂离子电池要低 。
不过,在规模储能应用中对电池能量密度的要求并不是太高,其成本和寿命则是关心的重点 。可以断言,钠离子电池在大规模储能应用领域拥有比锂离子电池更大的市场竞争优势 。
钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作机理, 而锂离子电池发展相对成熟, 目前, 借鉴锂离子电池电极材料制备相应的钠离子电池电极材料成为一种主要研究方法并在一定程度上展现了较好的电池性能 。
但是,钠离子电池在发展的过程中也存在几个关键问题亟待解决:
第一, 钠离子电池是一种有别于锂离子电池的电池体系, 将锂离子电池电极材料直接应用到钠离子电池的研究上是一种捷径, 但寻找新的具有高能量密度和功率密度的正极材料, 同时寻找在循环过程中体积变化小的负极材料, 提高电池的循环稳定性, 才是提高钠离子电池性能的重要途径, 也是使钠离子电池早日应用到大规模储能的关键 。
第二, 目前对于钠离子电池电极材料的合成方法比较单一, 传统的固相法和凝胶溶胶法是主要的制备方法, 且对电极材料的改性研究较少. 寻找更简单高效的合成方法, 同时对性能较好的材料进行改性研究也是提高钠离子电池性能的一条途径 。
第三, 安全问题是制约锂离子电池发展的重要因素, 而钠离子电池同样面临安全问题, 因此, 大力开发新的电解液体系,研究更为安全的凝胶态及全固态电解质是缓解钠离子电池安全问题的重要方向 。
7、电动势有话说
为使钠离子电池尽早大规模应用, 理论和实验实践需得到更深层次的挖掘. 随着钠离子电池研究的深入, 将会开发出新的材料, 电池的容量和电压将会进一步得到提升, 钠离子较低的成本, 使得钠离子电池有望应用在智能电网或可再生能源的大规模储能中 。
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