低溫續(xù)航減半、冬天汽車（純電動汽車）趴窩，時不時電池起火、充電以小時計算……電動汽車困在動力電池里。

在此前《期待已久的新電池技術(shù)將如何改變世界》一文中便有提到，為了應對電池行業(yè)“摩爾定律”的失效，目前科研人員與企業(yè)正探索新的電池技術(shù)，其中QuantumScape、Solid Power等明星創(chuàng)業(yè)公司與豐田選擇押寶固態(tài)電池，并且在固態(tài)電池研發(fā)上已取得關(guān)鍵性進展。

而寧德時代、松下、比亞迪等電池大戶則是改良派，刀片電池、無極耳電池、彈匣電池、鈉離子電池紛紛問世，其中寧德時代前不久推出的鈉離子電池最受關(guān)注，據(jù)寧德時代發(fā)布會官方數(shù)據(jù)顯示，鈉離子電池（特指此款）常溫下充電15分鐘電量就可達到80%，在零下20°C低溫環(huán)境下仍有90%以上的放電保持率，儼然一副理想中的電池樣子，可鈉離子電池真能滿足動力電池的全部想象嗎？

01 鈉離子電池的“能量魔方”

目前全球電動汽車使用的主流電池有兩種，一種是磷酸鐵鋰電池，另一種是三元鋰電池，相對來說，這兩種電池也是目前能量密度最高、性能最優(yōu)秀、技術(shù)最成熟的電池，那么寧德時代推出的新技術(shù)“鈉離子”電池憑什么與成熟的鋰離子電池競爭。

從化學原料與電池結(jié)構(gòu)來看，鈉離子電池和鋰離子電池存在著許多相似之處。在化學元素周期表上，鈉處于鋰的正下方，二者屬于同一主族，表明鈉和鋰具有非常相似的化學性質(zhì)。這就意味著鈉離子電池的工作方式也與鋰離子電池高度相似，即通過金屬離子在正負極之間嵌入、脫出來實現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移。因此，鈉離子電池的組成，也同樣由正極、負極、隔膜、電解液四大原材構(gòu)成。

但相較于鋰離子，鈉離子電位更高，體積更大，在嵌入正負極時易使極片材料發(fā)生較大的體積變化，這就意味著鈉離子電池在材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動力學性能上要求更為嚴苛。簡單來講，就是鈉離子電池存在能量密度低、倍率性能欠佳、循環(huán)壽命短等相對劣勢。

這是世界性的技術(shù)問題，也可以說是鈉離子電池的致命缺點。但顯然，鈉離子電池必然也有其優(yōu)勢，不然就不會這么被看重了。

和鋰離子電池相比，鈉離子電池最大的優(yōu)勢在于成本。

鋰資源在地球上十分稀少。鋰元在地殼中的含量僅為0.0065%，在未來，鋰資源也面臨像石油資源一樣的枯竭危險。而鈉元素在地球上的含量是鋰的幾千倍。正因為含量十分豐富，所以鈉比鋰要便宜得多。在市場上，作為鋰原料的碳酸鋰價格每噸需要幾萬元；而作為鈉原料的氯化鈉價格每噸只要幾千元。

所以，作為電池來說，鈉離子電池與鋰離子電池相比的一個突出優(yōu)點就是便宜，這對于產(chǎn)業(yè)化來說是一個非常核心的優(yōu)勢。此外，鈉和鋰在物理化學性質(zhì)上的差異所帶來的影響也并不都是負面的。

在某些方面，鈉離子具有獨特的優(yōu)勢：其一，鈉離子與過渡金屬元素離子的半徑差異較大，在高溫下更容易與過渡金屬分離形成層狀結(jié)構(gòu)，使其層狀氧化物的堆積方式具有多樣化。含鋰層狀氧化物多為O型結(jié)構(gòu)，而含鈉層狀氧化物具有豐富的O型和P型材料種類。

其二，很多在含鋰層狀氧化物正極中沒有電化學活性的過渡金屬元素，在含鈉層狀氧化物中具有活性。目前僅發(fā)現(xiàn)Mn、Co、Ni三個元素組成的含鋰層狀氧化物可以可逆充放電，而具有活性的含鈉層狀氧化物種類相對較多，Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等元素均具有活性且表現(xiàn)出多種性質(zhì)。

其三，在極性溶劑中鈉離子具有更低的溶劑化能，從而在電解液中具有更快的動力學，具有更高的電導率；其四，在電池充放電過程中，鈉不會與鋁產(chǎn)生電化學合金化反應，因此負極也可以采用鋁箔作為集流體(鋁箔價格約為銅箔的1/3)，既有利于電池的安全(避免過放引起的集流體氧化且可以過放電至零伏)，又達到了進一步降低電池成本的目的。

回到寧德時代發(fā)布的鈉離子電池，在正極材料上，它采用了克容量較高的普魯士白材料，創(chuàng)新性地對材料體相結(jié)構(gòu)進行電荷重排，對材料表面進行了重新設計，解決掉了材料在循環(huán)過程中容量快速衰減這一世界性的難題，讓創(chuàng)新材料具備了產(chǎn)業(yè)化的條件。

在負極材料上，因為鈉離子無法像鋰離子一樣自由在石墨層之間穿梭，于是寧德時代開發(fā)了具有孔隙結(jié)構(gòu)的硬碳材料。這種硬碳材料克重高、易脫嵌、優(yōu)循環(huán)，各項指標與現(xiàn)有的石墨相當。

電解液方面主要是鈉鹽+溶劑，因為溶劑與鈉離子電池差別不大，因此寧德時代還開發(fā)了適配這樣的正極負極材料的新型獨特電解液體系，在制造工藝方面可以與目前的鋰離子電池制造工藝和設備相兼容。

而在電池系統(tǒng)集成方面另辟蹊徑，則采用了AB電池系統(tǒng)解決方案，即鈉離子電池與鋰離子電池兩種電池按一定比例進行混搭，集成到同一個電池系統(tǒng)里，通過BMS（電池管理系統(tǒng)）精準算法進行不同電池體系的均衡控制。這樣可以實現(xiàn)取長補短，既彌補了鈉離子電池在現(xiàn)階段的能量密度短板，也發(fā)揮出了它高功率、低溫性能的優(yōu)勢，這樣的鋰-鈉電池系統(tǒng)，就能適配更多應用場景。

02 風口上的“新瓶與舊酒”

雖然說寧德時代所展示的鈉離子電池已有很大技術(shù)創(chuàng)新，但嚴格來講，鈉離子電池并非新技術(shù)。

十九世紀七十年代，鈉離子電池和鋰離子電池被同時提出，但鋰離子電池優(yōu)異的性能讓科學家們紛紛放棄了對鋰離子電池的研究，幾乎全部投入鋰離子電池的研發(fā)中。一直到2010年，鈉離子電池才迎來了屬于它的研發(fā)熱潮。借助鋰電池技術(shù)和材料的研究基礎，近10年來鈉離子電池的相關(guān)研究迎來的井噴式的增長。

目前國內(nèi)外已有超過二十家企業(yè)正在進行鈉離子產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，不同企業(yè)采用的電化學體系各有不同。其中正極材料體系需要具有良好的電化學性、安全性、化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，從而具備較高的理論比容量和電池循環(huán)壽命。主要包括層狀氧化物（如銅鐵錳和鎳鐵錳三元材料）、聚陰離子型化合物（如氟磷酸釩鈉）、普魯士藍類和液態(tài)鈉等；負極材料體系一般具有嵌入鈉離子的能力高、體積變形小、擴散通道好、化學穩(wěn)定性好等特點。主要材料包括碳基材料、鈦基負極材料和硫磺等。

英國FARADION公司較早開展鈉離子電池技術(shù)的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作，其正極材料為Ni、Mn、Ti基O3/P2型層狀氧化物，負極材料采用硬碳?，F(xiàn)已研制出10 Ah軟包電池樣品，能量密度達到140 Wh/kg，電池平均工作電壓3.2 V，在80%DOD下的循環(huán)壽命預測可超過1000次；美國Natron Energy采用普魯士藍材料開發(fā)了高倍率水系鈉離子電池，2C倍率下的循環(huán)壽命達到10000次，但普魯士藍(白)類正極材料壓實密度較低，生產(chǎn)制作工藝也較復雜。。

由多家單位共同參與成立的法國NAIADES組織開發(fā)出了基于氟磷酸釩鈉/硬碳體系的1 A·h鈉離子18650電池原型，但是釩有毒性且原料成本較高。同時氟磷酸釩鈉電子電導率偏低，需進行碳包覆及納米化，且壓實密度低。

國內(nèi)鈉離子電池技術(shù)目前也處于世界前列。

浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司制備NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元層狀氧化物正極以及硬碳負極體系的鈉離子軟包電芯能量密度為100～120 Wh/kg，循環(huán)1000次后容量保持率超過92%；依托中科院物理研究所技術(shù)的中科海鈉公司已經(jīng)研制出能量密度高于 135Wh/kg的鈉離子電池，平均工作電壓為3.2V，現(xiàn)已實現(xiàn)正、負極材料的百噸級制備及小批量供貨，鈉離子電芯也具備了MW·h級的制造能力，并率先完成了在低速電動車和30kW、100kWh儲能電站的示范作用。

從產(chǎn)業(yè)情況來看，雖然各企業(yè)都有不同的技術(shù)體系，但從整體分析，哪怕是寧德時代的第一代鈉離子電池已經(jīng)問世，目前鈉離子電池也還依舊是在初步階段，離真正落地商業(yè)化還有一段路要走。

03 鈉離子要當新能源“后浪”

對于新技術(shù)我們應給予更大的包容與期待，同時也必須清晰的認識到現(xiàn)階段鈉離子電池仍算不上成熟的工業(yè)產(chǎn)品，由于需要使用全新的正負極材料，故還沒有形成完整的鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，要在短期內(nèi)從無到有，建立起完備的上下游產(chǎn)業(yè)鏈并非易事。

例如在中游的正負極材料中，除去過渡金屬氧化物﹑聚陰離子化合物、普魯士藍類材料之外，鈉離子電池行業(yè)還存在晶格限制較弱的非晶態(tài)材料，但目前其研究依然面臨著諸多困難。

一是材料電導率低，不利于電池的高倍率性能；二是化學穩(wěn)定性和耐酸堿性差，活性物質(zhì)可能會溶解到電解液中,且循環(huán)性能差；三是對于非晶態(tài)材料充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化,沒有明確的理論，不利于改善玻璃態(tài)材料的電化學性能。

拋開材料，鈉離子電池當前最大的難題還是能量密度不足，目前鈉離子電池單體能量密度最高僅為160Wh/kg，低于無鈷電池的240Wh/kg，也遠遠低于固態(tài)電池400—600Wh/kg的能量密度，其應用場景大大受限，對續(xù)航里程與售價高低呈正相關(guān)的電動汽車這塊肥肉來說鈉離子電池短期內(nèi)難以啃下來。

但在對電池密度要求不那么高的領(lǐng)域，鈉離子電池未來仍然可期。比如針對西藏、青海、新疆等人口密度低、地質(zhì)環(huán)境差的地區(qū)的分布式電網(wǎng)儲能。以儲能電池搭配可再生能源發(fā)電的方式，是解決當?shù)赜秒娦枨蟮睦硐虢鉀Q方案。

再比如對于叉車等工程機械設備的工程機械/低速類電源，由于需要配重對能量密度需求較小，同時鈉離子電池相較于鉛酸電池具備鋰離子電池相當?shù)目斐浜偷蜏匦阅?，十分貼近與電動機械的應用場景。

總的來說，鈉離子電池既無法取代鋰電池，也無法徹底解決電動汽車之痛點，但也有著可期的未來與合適的應用場景。就像寧德時代董事長曾毓群所說，“電化學的世界就像能量魔方，未知遠遠大于已知，我們將樂此不疲的探索其中的奧秘“。

本文來自微信公眾號“科創(chuàng)實驗室”（ID:scilabs），作者：喀戎，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

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