胡勇胜研究员:将可持续的钠离子电池推向工业化

幸运的是，与锂离子电池技术最接近的纳离子电池（NIBs）具有实现工业化的最大潜力。诸如太阳能和风能等可再生能源的快速增长推动了NIBs的发展，这些能源需要大规模的储能系统。由于Na的丰富和广泛分布，NIBs被认为是一个很好的选择，随着深入的研究，NIBs材料或系统层面的更多意想不到的特性正在被揭示出来，包括宽工作温度范围、快速充放电、高安全性等。最近，新创公司中科海钠（HiNa）推出了他们的第一个1MWh的NIB储能系统（图1），这是NIB发展的一个里程碑。CATL（一家领先的锂离子电池制造商）最近宣布了他们的第一代NIB技术，这引起了前所未有的关注。在这个关键时刻，本文旨在介绍关于NIB商业化的一些见解。

图1. 世界上第一个用于储能的1MWh钠离子电池系统，与市政电力、光伏和充电设施相结合，形成一个微电网，可以进一步与公共网络进行智能互动。

02内容

阴极

关于阴极方面，主要有三条技术路线，包括使用层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类似物。对于层状金属氧化物，具有高钠含量的O3型材料有利于提高能量密度，而具有有利的扩散通道的P2型材料则有可能实现高功率密度。这两种不同配置的设计可以直接通过 "阳离子电位 "预测来实现，这有助于降低实验成本。

与锂基层状金属氧化物相比，钠基层状金属氧化物中含有非常丰富的具有电化学活性的过渡金属，如Cu3+/Cu2+氧化还原对。尽管目前的研究工作大多集中在通过掺杂策略来抑制相变，但也必须注意解决空气稳定性问题，在这方面需要进一步探索功能涂层。由于氧气难以释放，聚阴离子化合物比层状金属氧化物的安全性更高。它们还可以支持快速充电，由于Na+扩散的三维开放通道，其循环寿命长达10 000次以上。然而，它们中的大多数含有有毒和昂贵的元素V，所以用更便宜的过渡金属取代V是更有必要的，如Na3MnTi(PO4)3的提议。普鲁士蓝类似物具有类似于多离子化合物的快速充电特性，但如何完全去除间隙水仍然是一个挑战。尽管如此，高比容量和工作电压加上易于大规模制备是这三种类型阴极的共同目标。

由于Na的丰富和广泛分布，Na离子电池被认为是充电电池工业化的一个有前途的选择，随着深入的研究，更多意想不到的特性正在被揭示。

阳极/电解质

考虑到在它们之间形成的固体-电解质间相（SEI），阳极和电解质被一起讨论。无序碳具有低插入应变、合适的比容量和低电压滞后，是有希望的阳极候选材料。即使一些超高容量（>400 mAh/g）的无序碳已被报道，由于无序碳中的Na储存机制尚不清楚，所以仍缺乏对适当的微结构（如孔隙形状、孔隙大小、孔隙数量等）设计的阐述。

此外，初始和平均库仑效率（预钠化技术可以有效地抵消初始容量损失）是关键参数，由不同的颗粒形态和电解质选择所引起。应建立Na基体系中精确的SEI或溶剂化模型，以帮助指导阳极和阴极的功能保护层。电解液浓度和配方应合理调节，全面考虑成本、高电压应用、与碳阳极的兼容性等。此外，应进一步研究活性材料、导电添加剂和粘合剂之间的相互作用对SEI形成的影响。此外，鉴于水态和固态电解质固有的安全特性，固态和水系NIBs也引起了广泛的研究兴趣，但在其实际应用之前需要解决相应的问题。

研究系统/BMS

除了对材料和界面的研究外，整个NIB系统也值得全面研究。实验室的科学研究通常使用纽扣电池来评估电池的性能；然而，由高负载质量的电极组装的小软包电池的数据更加真实。此外，仍然缺乏详细的故障分析，特别是NIB的热失控模型。

对于电池组层面，如何实现数以千计的集成NIBs的高效运行仍然具有挑战性，而电池管理系统（BMS）的设计是关键。实际上，NIB的一个优势在于它们可以放电到0V（铝箔可以同时作为NIB的阴极和阳极集电体），这表明BMS的设计很方便。迄今为止，包括Faradion（英国）、Natron Energy（美国）、海钠（中国）、Tiamat（法国）、CATL（中国）等许多初创公司已经推出了他们的第一代NIB技术。例如，海钠公司的NIBs展示了卓越的电化学性能，能量密度为145Wh/kg，充电/放电时间为12分钟，循环次数为5000次，并且可以在宽温下工作（-40至80℃）。

03总结

总的来说，NIB的快速发展将改变储能领域的商业格局，相关的扩容技术也需要相应的更新。基于30年来在锂离子电池方面的丰富经验，实际上，NIBs的商业化道路似乎很顺利。即便如此，还是应该进行更多的基础研究，重点是材料或系统层面的稳定性和一致性。对NIB的性能评估应从多个角度着手，成功的产业化也需要政府的政策支持，例如，推动建立NIB的国际标准。NIBs的主要发展方向仍然在于提高能量密度。进一步优化阴极和阳极的储存能力以及工作电压，对于实现200Wh/kg的目标（图2）以及在不久的将来为NIBs开启更多不同的应用场景，仍然非常重要和具有挑战性。

图2. 钠离子电池的实际能量密度与阴极和阳极的容量以及工作电压之间的关系，根据修订的经验模型计算。