钠离子电池是一种以钠离子为电荷载体的二次电池,其充放电依靠钠离子在正极和负极之间移动。以下是钠离子电池的一些基础知识与概述:
发展历史:钠离子电池的研究始于 20 世纪 60 年代。1967 年高温钠硫电池诞生,但因工作温度过高难以商业化。随后相关研究不断推进,陆续出现新的电解质和电池类型。2000 年左右发现合适的负极材料后迎来转折点,2010 年以后又有大量不同的正负极材料被发现。近年来,钠离子电池逐渐受到关注并取得了进一步发展。
基本结构:
正极:其性能直接关系到电池整体的综合性能。正极材料一般可分为层状过渡金属氧化物、聚阴离子型化合物、普鲁士蓝类化合物。不同类型的正极材料具有各自的特点,例如层状氧化物生产工艺与锂电三元正极材料兼容性较高;聚阴离子型化合物工作电压高、循环稳定性好;普鲁士蓝类化合物理论充放电比容量较高,但实际应用中存在一些问题。理想的正极材料应具备钠离子脱嵌电位和脱嵌容量高、电极过程动力学适中、嵌脱可逆性高、储存稳定性好、电子和离子电导率好、与电解液相容性良好等特点。
负极:是充电过程中主要的钠离子储存载体。负极材料主要分为碳材料和非碳材料,非碳材料包括钛基材料、有机类材料、合金类材料等。
电解液:是沟通正负极的桥梁,负责载流子在正、负极之间的传输。一般由溶剂、钠盐以及添加剂等构成,其组成对电池的能量密度、循环寿命和倍率性能等有重要影响。常见钠盐有高氯酸钠、三氟甲磺酸钠、六氟磷酸钠等;溶剂通常为碳酸二甲酯、碳酸丙烯酯、碳酸乙烯酯和乙二醇二甲醚等的一种或多种混合物。
隔膜:作用是对正、负极进行物理分隔,避免二者直接接触反应,同时确保溶剂分子的浸润和渗透,允许溶剂化钠离子快速通过。理想的隔膜材料应具有良好的电子绝缘性和离子导电性、高的机械强度、较薄的厚度、较好的化学惰性以及优异的热稳定性。常用的隔膜有 PP、PE、PP/PE、PP/PE/PP 隔膜、陶瓷隔膜等,其孔径大小一般在 0.03-0.12μm 之间,孔径分布较窄且均匀。
集流体:用来收集和传输电子,钠离子电池的集流体一般是铝箔,因为铝的成本比铜低。
外壳:作为电池的容器,保护电池内部材料,有软包和硬壳两种。软包电池一般采用铝塑膜封装,包括聚丙烯层、铝箔层、尼龙层,各层分别起到保证封装可靠性、增加结构强度、防止损伤等作用;硬壳电池通常采用铝壳或钢壳封装。
性能特点:
资源丰富且成本较低:钠的地壳丰度较高,分布广泛,原材料价格相对较低。
电化学性能相对稳定:具有较好的热稳定性和安全性能。
低温性能较好:在低温环境下能保持较好的性能。
优点:
相比锂离子电池,在大规模应用中具有成本优势。
能量密度较高,能满足许多应用的需求。
循环寿命较长。
安全性能好,在针刺、挤压、过充、过放等安全项目测试中能做到不起火不爆炸,且运输环节可实现 0V 运输,降低安全风险。
应用领域:钠离子电池在储能和低速电动车等领域具有应用潜力。例如在能源存储方面,可用于大型能源存储系统,与可再生能源相结合;在家用电器领域,能使电器更加经济实惠并减少环境污染;在电动车领域,可应用于对能量密度要求相对较低的车辆。
然而,钠离子电池目前也存在一些挑战,如能量密度相对锂离子电池较低、倍率性能有待提高等。但随着技术的不断进步和研究的深入,这些问题有望逐步得到解决,其性能和应用范围也可能进一步拓展。
目前,一些钠离子电池的品牌制造商包括英国 Faradion 公司、美国 Natron Energy 公司、北京中科海钠科技有限公司等。