2023鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及行業(yè)全面調(diào)研分析

• 黃文玉 2023年6月26日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 1429 94
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鈉離子電池，是一種二次電池(充電電池)，主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。2022年度化學領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。

鈉離子電池，是一種二次電池(充電電池)，主要依靠鈉離子在正極和負極之間移動來工作，與鋰離子電池工作原理相似。2022年度化學領(lǐng)域十大新興技術(shù)之一。

現(xiàn)有的二次電池技術(shù)都還不能滿足大規(guī)模儲能的要求。例如：鉛酸、鎘鎳電池含有大量有害的重金屬元素，大規(guī)模應用會在生產(chǎn)和廢棄階段造成嚴重的環(huán)境污染，而且對環(huán)境溫度要求嚴格，僅適用室內(nèi)運行環(huán)境;鎳氫電池由于采用了昂貴的稀有金屬，價格上難于滿足大規(guī)模儲電的成本要求。全釩液流電池除了采用了貴金屬外，還有毒性和腐蝕性的問題;鈉硫電池因為需要高溫，液態(tài)硫和金屬鈉對氧化鋁隔膜具強腐蝕性，容易造成燃燒事故。

相比于上述的傳統(tǒng)二次電池，有機系離子電池以離子在正負極的嵌入脫出和在兩極間擴散作為充放電基本原理，具有能量密度高，倍率高和循環(huán)壽命長的特點。在性能上可以滿足儲能系統(tǒng)的技術(shù)要求。然而，由于其大量使用易燃的有機電解質(zhì)，在生產(chǎn)和使用過程中會造成爆燃事故，有安全性問題缺陷。而水系離子電池由于采用中性的鹽水溶液作為電解質(zhì)，既避免了有機電解質(zhì)的易燃問題，又克服了傳統(tǒng)水系電池的高污染，壽命短(如鉛酸電池)和價格昂貴(鎳氫電池)的缺點，是能夠滿足大型儲能技術(shù)要求的理想體系之一。

鈉離子電池行業(yè)發(fā)展概況分析

鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時起步，早在20世紀80年代，人們就開展了有機系鈉離子電池正負極材料的研究。但是與有機系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應用于有機系鋰離子電池中的正負極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負極間離子嵌入一脫出反應的“搖椅式”機理作為充放電反應機理，可是因為鈉的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應困難。而且，負極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。直到近年，在容量利用率和循環(huán)壽命方面基本滿足要求的有機系鈉離子電池用負極材料才被開發(fā)出來。

早在150多年前，剛發(fā)明的鉛酸電池就是使用水系電解液對的。后來，Dahn小組1994年首次報道了以LiMn2O4作正極、VO2作負極、Li2SO4水溶液為電解質(zhì)的水系鋰離子電池，提出利用兩電極間離子嵌入反應構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想，此后在此反應原理基礎(chǔ)上開始水系鈉離子電池的設(shè)計及材料研制。

2005年，夏永姚課題組報道了以LiMn2O4作正極、活性炭為負極的非對稱電容電池，隨后他們又再次研發(fā)了以LiMn2O4作正極在鈉、鋰混合離子電解質(zhì)中的水系離子電池，進一步推動了對水系電池的研究。電池的制造成本及運行安全可靠性通常是大規(guī)模儲能技術(shù)應用的首要考慮因素。盡管鈉離子電池在有機電解液體系下具有較高的能量密度和輸出電壓，但是有機電解液的高成本、易揮發(fā)、易燃及生產(chǎn)復雜等缺點是其在大規(guī)模儲能應用時面臨的瓶頸。所以當我們使用比有機電解質(zhì)更快的離子遷移速率的水溶液電解質(zhì)時，既能降低電池的制備成本也能夠在安全性、功率密度和環(huán)境兼容性等方面有所改善?？上ё畲蟮娜秉c是水溶液電解質(zhì)的工作電壓窗口比較窄。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年中國鈉離子電池行業(yè)發(fā)展分析及投資戰(zhàn)略預測報告》顯示：

目前，國內(nèi)外的一些研究者越來越多的開展對水系鈉離子電池的探索了。例如2007年Sauvage等發(fā)現(xiàn)了Na0.44MnO2在水溶液電解質(zhì)中的嵌脫鈉機制。然后，2010年Whitacre等報道了以Na0.44MnO2為正極、活性炭為負極及Na2SO4水溶液作電解質(zhì)的水系鈉離子電池。另外，水系鈉離子電池的研究是新電池體系的一個優(yōu)化和前進過程，在實際應用中還面臨著諸多挑戰(zhàn)，需要我們繼續(xù)在制備工藝、電極材料的選擇改進以及全電池的匹配上作出更多的努力，早日實現(xiàn)水系鈉離子電池的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

在水系電解質(zhì)體系中，存在水電解引起的負極析氫和正極析氧的副反應。由于水的熱力學電化學窗口為1.23V，為了避免水電解反應的發(fā)生，即使考慮到動力學因素，水系鈉離子電池的電壓通常在1.5V左右，最高也不能高于1.8V。而且，在電極材料的選擇上也必須考慮要抑制水分解副反應的影響。正極材料嵌鈉反應的電位要低于水的析氧過電位，而負極材料的嵌鈉反應的電位應高于水的析氫過電位，這就限制了許多在有機系電解質(zhì)中表現(xiàn)良好的儲鈉正負極材料的應用。另外，許多鈉鹽化合物在水中的溶解度很大，或遇水容易分解，進一步限制了儲鈉材料的選擇。自從1994年，DAHN等制作了以V205為負極、LiMn204為正極、Li2S04/H20為電解質(zhì)的鋰離子電池，首次提出利用兩極間離子嵌入反應構(gòu)建“搖椅式”水溶液二次電池的構(gòu)想之后，水系鈉離子電池的設(shè)計和材料研制就在此反應原理基礎(chǔ)上展開。

鈉離子電池行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀分析

近年來，水系離子(鋰、鈉等)電池的研發(fā)越來越受到關(guān)注。但是，地球上的鋰資源實際上是難以支撐大型儲能系統(tǒng)的應用需求的。于是，與鋰的化學性能類似的鈉被認為能夠替代鋰適用于水系離子電池體系。鈉是地球上儲量最豐富的資源之一，可以說是用之不竭。價格也顯著降低，通常為鋰鹽的1/10。因此，水系電解質(zhì)的鈉離子電池被認為是最有潛力的適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)的電池之一，成為最近業(yè)界研究工作的焦點。

實際上，鈉離子電池的研究與鋰離子電池幾乎同時起步，早在20世紀80年代，人們就開展了有機系鈉離子電池正負極材料的研究。但是與有機系鋰離子電池相比，鈉離子電池的發(fā)展緩慢。這主要是由于成功應用于有機系鋰離子電池中的正負極材料體系不能簡單地移植到鈉離子電池中。雖然二者都是以正、負極間離子嵌入-脫出反應的“搖椅式”機理作為充放電反應機理，可是因為鈉的離子半徑(0.102nm)比鋰離子和質(zhì)子大許多，使得其嵌入反應困難。而且，負極材料在接受大體積的鈉離子的嵌入反應過程中，其晶格容易發(fā)生形變甚至坍塌，影響到電池的循環(huán)性能。

數(shù)據(jù)顯示，2019年我國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模僅為0.8億元，隨著水系鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，該行業(yè)市場規(guī)模發(fā)展迅速，2021年中國水系鈉離子電池行業(yè)市場規(guī)模將達到6.5億元。

在2021年發(fā)布的《關(guān)于在我國大力發(fā)展鈉離子電池的提案》中，提到鋰離子電池、鈉離子電池等新型電池作為推動新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的壓艙石，是支撐新能源在電力、交通、工業(yè)、通信、建筑、軍事等領(lǐng)域廣泛應用的重要基礎(chǔ)，也是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的關(guān)鍵支撐之一。

鈉離子電池行業(yè)發(fā)展特點分析

水系鈉離子電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化時間都很短，技術(shù)層面還存在很多難題有待攻克。其主要問題有以下幾點。

(1)水是最常見的液體，同時也是常見液體中極性最強的。在水溶液中循環(huán)使用的電池，必須克服電極材料在水溶液中的溶解以及鹽溶液對電極的長期(10-20年)持續(xù)不斷的緩慢腐蝕。解決這一問題的途徑不一，可以是開發(fā)新型的耐腐材料;亦可以是從電池設(shè)計的角度考慮，加強電極的成型后的強度以抗抵水溶液的侵蝕;

(2)由于水的理論電解電壓只有1.23V，因此極大地限制了水系鈉離子電池的質(zhì)量比能量。目前已見報道的這類產(chǎn)品質(zhì)量比能量均不超過25W·h/kg，比鉛酸蓄電池還低。在電解液的分解電壓不變的前提下，只能通過尋找或創(chuàng)造出更高比容量的正負極材料，才能提升整個電池的質(zhì)量比能量;

(3)水系鈉離子電池是一種全新的電池體系，其電極的成型、集流體的選擇、電解液功能添加劑的開發(fā)等等一系列的工藝技術(shù)難題還需要不斷地被攻克，電池性能仍有很大的提升空間。

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