锂离子电池无处不在，不仅出现在耳机、手机和汽车中，还被用于大规模储能设施，以储存太阳能和风能等可再生能源，以便在阳光不足或风力减弱时使用。然而，锂本身是一种相对稀缺的资源，且仅在少数国家有供应。如果要实现一个以可再生能源为基础的世界，需要的电池容量将是目前的200倍——这可能意味着需要一种新型的电池。
其中，钠价格低廉且储量丰富，有望助力未来的绿色能源经济。但到目前为止，钠电池的性能还无法完全赶上锂离子电池。
近日，《Science》官网以“Sodium batteries power up”为题对近年来钠离子电池发展进行了总结，并以学术界和产业界大佬观点为线索，以最真实的视角还原和再现钠离子最新发展。
钠离子电池发展的挑战
“我不知道我们仅靠锂离子电池能否实现目标电池容量”芝加哥大学的电池化学家Y. Shirley Meng说到。
钠无处不在，存在于海水和盐矿中，因此供应和成本都不是问题。但这种金属在储存电荷方面不如锂，因为其离子比锂离子大三倍，这阻碍了它们进出现有电池电极的能力。全球的实验室正在开发新的电极材料以解决这一缺陷，而在过去的六个月中，几个研究小组宣布钠电池的储能能力已经达到了低端锂离子电池的水平。“进展令人惊叹”哥伦比亚大学的电池化学家Dan Steingart说。与此同时，用于电动汽车、滑板车和电网储能的钠离子电池已经开始批量生产。
然而，研究人员警告说，钠电池尚未准备好广泛部署。“我们还没有到那一步”，法国学院的固体化学家Jean-Marie Tarascon说。钠电池的性能仍然远远落后于最好的锂离子电池。而且，目前转向钠电池的经济动力也缺乏：锂短缺仍然是一个理论上的问题，而由于供应过剩，锂的价格在过去三年中实际上下降了70%。像锂离子电池一样，钠离子电池通过在一对由离子导电电解液分隔的电极之间传递带正电的离子来工作。在充电过程中，电子被输送到带负电的负极，吸引金属离子通过电解液从带正电的正极流动。在放电过程中，电子从电池中被抽出，导致离子从负极返回正极。
相应的应对策略
由于钠离子比锂离子大，因此能够挤入负极储存电荷的钠离子数量较少。需要更大的电池单元来储存相同数量的电量，这增加了成本和体积。钠电池的储能能力一直难以达到最好锂离子电池的一半，后者可达300 Wh/kg。但阿贡国家实验室的电池化学家Gui-Liang Xu说：“我们有多种途径可以解决这一挑战。”其中一种方法是改变负极的组成。大多数锂离子电池使用石墨，这是一种碳的形式，其紧密的层状结构往往排斥钠离子。许多研究人员转向了一种替代碳形式——硬碳，它由一团碳颗粒组成，形成了钠离子可以挤入的孔隙。
不幸的是，所有这些孔隙也减少了负极储存能量的体积。但研究人员发现，向负极中添加锡可以帮助。当在碳载体上稳定时，每个锡原子可以结合多达3.75个钠离子，从而提高阳极储存钠离子的能力，进而提高能量储存能力。例如，总部位于圣地亚哥的初创公司UNIGRID开发的电池可储存170 Wh/kg。尽管这仍低于低端锂离子电池的200 Wh/kg，但休斯顿大学的钠离子电池专家Yan Yao说：“这看起来非常令人兴奋。”
另一个改进来自调整通常由金属氧化物制成的带正电的正极的组成，以实现更好的钠储存和流动。最受欢迎的新材料之一是钠、钒、磷和氧的混合物（NaVPO），它倾向于形成一种层状结构，使钠原子能够轻松进出。目前，NaVPO的能量密度与锂离子电池的正极相比处于中等水平。但由休斯顿大学的化学家Pieremanuele Canepa领导的研究人员最近通过计算机模拟和X射线衍射，识别出对NaVPO晶体结构的一个有希望的调整。在2024年10月23日在线发表于《Nature Materials》的一篇报告中（https://www.nature.com/articles/s41563-024-02023-7），Canepa和他的同事们不仅合成了这种新材料，还将它整合到钠离子电池的阴极中，使其能够比之前的NaVPO设计多储存15%的能量。
一种更激进的方法是用有机化合物制造正极，这些化合物也可以形成能够储存和释放钠离子的层状结构。许多有机物在电池电解液的存在下会分解，但在2025年2月5日的《Journal of the American Chemical Society》上，麻省理工学院的Mircea Dincă领导的研究人员报告说，他们制造了一种更耐用的层状有机正极，称为TAQ。这种材料不仅在数千次充放电循环中保持稳定，而且TAQ的能量密度是迄今为止制造的任何钠离子正极中最高的之一（https://doi.org/10.1021/jacs.4c17713）。
由于这些以及其他进展，“行业目前的兴趣非常高，”波尔多凝聚态物质化学研究所的化学家兼主任Laurence Croguennec说。2024年11月，中国最大的电池制造商宁德时代推出了其第二代钠离子电池，声称其能量密度为200 Wh/kg，比第一代电池的160 Wh/kg有所提高。与此同时，宁德时代的竞争对手比亚迪表示，计划到2027年每年生产30吉瓦时的钠离子电池，部分用于可再生能源储存。全球至少还有六家初创公司也在通过调整电池化学成分来加入这一领域。
外界声音
尽管如此，许多电池专家仍然对钠的未来持谨慎态度，并对一些公司的公告持怀疑态度。“关于电池设计和性能的细节缺乏透明度，”UNIGRID首席执行官Darren Tan说。面临的障碍不仅仅是技术性的。目前，锂的低成本削弱了钠的主要卖点，Steingart说。钠离子电池制造商仍然规模太小，无法从规模经济中受益。2024年11月，这些挑战导致了该领域先驱之一的瑞典钠离子电池公司Northvolt申请破产。
政治也是一个不确定因素。当美国前总统唐纳德·特朗普上月就职时，他立即宣布暂停对风能和太阳能项目的联邦支持，这可能会搁置大规模备用电池系统的部署计划。（另一方面，中国在1月宣布了对石墨的新出口限制，石墨是锂离子电池的关键组成部分，这一举措是为了回应特朗普政府对中国商品征收10%新关税。）
但斯坦福大学的材料科学家William Chueh说，技术进步将决定钠离子电池变得多么具有成本效益。1月13日，他和同事们在《Nature Energy》杂志上发表了一篇论文，在线评估了6000多种生产钠离子电池的路线图，并得出结论，要与低成本锂离子电池完全竞争，研究人员需要取得几项突破，包括消除钠电池目前所需的所有昂贵材料，如镍和钒（https://doi.org/10.1038/s41560-024-01701-9）。
Steingart相信这些进步即将到来。谈到钠离子电池的基本化学原理时，他说：“我们仍处于早期阶段。”
【文献信息】
https://www.science.org/content/article/move-over-lithium-sodium-batteries-could-one-day-power-green
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