目前商业化
钠离子电池使用的负极材料都是硬碳。而三类主要正极材料都已经有实现商业化生产的例子。英国的Faradion公司、中国的中科海钠公司都开发出了具有较高比容量的层状氧化物正极材料,由其构成的全电池甚至可以超过锂离子电池中的
磷酸铁锂电池。聚阴离子类的快离子导体以及PBA类材料的正极材料能量密度低一些,但却可以实现极高的功率密度,适用于高功率输出设备的需求。美国的Novasis Energies、隶属于斯坦福的Natron Energy公司则成功开发出了以PBA为正极的的钠离子电池。
英国的法拉第公司(Faradion)在2015年制造了第一个电动自行车的非水系钠离子电池组。这款电动自行车使用了软包电池结构的400 Wh电池组。该电池是使用钠镍层状氧化物NaaNi(1-x-y-z)MnxMgyTizO2作为正极制造的。目前,该公司声称能够生产12 Ah 150–160 Wh kg-1(或270–290 Wh L-1)的电池,在1C倍率下循环寿命超过3000圈,并且能够在-20和60℃之间运行。
同样是2015年,法国电化学
储能研究网络(French research network on electrochemical energy storage)推出了第一个18650 Na离子电池,即所谓的RS2E。电池使用Na3V2(PO4)2F3作为正极材料,比能量为90 Wh kg-1。之后,使用同样的技术,法国Tiamat开发出了能够达到2到5 kW kg-1的功率密度(相对于LIBs增加了5倍)的电池,该电池能够在5分钟内充满电。
2015年,美国夏普实验室与J.B. Goodenough密切合作,证明普鲁士白阴极(Na1.92Fe[Fe(CN)6])可以成功规模生产,并组装得到电压为3 V的电池。在这一背景下,Novasis Energies最近通过改进电池的组成和加工工艺,使用NaxMnFe(CN)6得到了容量密度为100–130 Wh kg-1(或150–210 Wh L-1)的电池。
2020年,中国的中科海钠开发出了基于O3相复合正极材料的10 Ah袋式和18650圆柱形电池,重量能量密度达到135 Wh kg-1,放电速率可从1C变化到5C,容量保留率达到90%,在3C下可循环超过3000次。此外,电池可在−30℃下以0.3 C的速率放电,同时仍保留80%的室温容量,并在高达85℃的温度下储存3天后,在后续循环中可完全恢复容量。
来自斯坦福大学的Natron Energy是一家新成立的公司,它使用PBA作为正极和负极,并用水系电解质开发了一种电池。与有机电池相比,这种电池的能量密度虽然更低,但却具有高达775 W kg-1(或1550 W L-1)的功率密度。电池能够在12C下运行25000圈,容量保持率达70%。
在性能方面,室温非水系NIB已经具替代部分锂离子电池的能力(图7)。此外,考虑到它们仍处于商业化初期,而且大多数研究工作都集中在电极活性材料上,电解质、粘合剂、集电器和其他电池组件的进一步改进还将使钠离子电池得到进一步发展。
在未来,钠-空气或钠-氧(Na–O2)和室温钠-硫(Na–S)电池都是很有前途的高能量密度存储技术,可以满足静态储能的要求。
钠离子电池的能量密度可以做到150Wh/kg上下,与磷酸铁
锂电池、锰酸锂电池比较接近,循环寿命可以做到3000~6000次,与磷酸铁锂相当,优于锰酸锂和三元锂,热稳定性和安全性与磷酸铁锂基本相当。
电池成本分析,钠离子电池的BOM成本约为0.25元/Wh,而磷酸铁锂的BOM成本已超过0.35元/Wh,理论上钠离子电池材料成本比磷酸铁锂电池低30%以上。但现阶段钠离子电池体系由于制备工艺不成熟、生产设备有待改善,导致生产效率较低,产品一致性差,生产良率不高,生产成本明显高于锂离子电池,一定程度上抵消了材料成本优势。
随着产业链逐步完善,以及制程工艺的完善、生产设备的改良,钠离子电池的成本优势将会逐步凸显出来。
总结来说,钠离子电池具有较为明显的成本优势(大规模产业化之后),在循环寿命、安全性方面与磷酸铁锂相当,在倍率性能、高低温性能方面都不弱于各种类型的锂离子电池,因此比较适合对能量密度要求不高,但是对成本比较敏感,或者对循环寿命要求比较高的应用场景,比如轻型
电动车、中低续航的
新能源汽车(300公里续航以下)、备用电源、基站电源、电力储能、工程
机械、工业车辆等。
目前钠离子电池仍然处于产业化的早期阶段,在未来相当长时间内,都不可能取代锂离子电池,两者更多的是互补关系,各自满足不同细分市场的应用需求。