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钠离子电池正极材料研究进展

作者：沈伟申兰耀张振宇王汝娜刘海梅周恒辉

来源：《新材料产业》2017年第5期

一．概述

近年来，随着便携式电子设备，电动汽车和混合动力汽车的迅猛发展，研究资源丰富、高

能效及环境友好的储能材料已成为国际上的研究热点。为满足规模庞大的市场需求，仅依靠电

池的电性能来衡量电池材料是远远不够的，电池的安全性、制造成本、能耗以及是否对环境造

成污染也已成为评价电池材料的重要指标。目前，锂离子电池的发展前景比较明朗，但随着对

锂资源的过度需求，势必会使其面临短缺的问题。

研发钠离子电池主要是为了解决动力电池的巨大需求和锂这种稀缺能源之间的矛盾。众所

周知，汽车产能的爆发让锂资源价格暴涨，从2014年的3万元/t元飙升至最高近20万元/t。

锂电池除了锂之外，还使用另一种稀有金属——钴（Co）。NTT设施综合研究所的调查显示，

利用现行技术生产1辆纯电动汽车（EV），大约要使用20kg的锂和大约40kg的钴。即便把

全球的产量都供应给EV，每年产出的锂只够700万辆车使用，而钴仅够100万辆车使用。而

按照国家新能源汽车产业规划，2030年未来中国会有至少3000万台新能源汽车，从现在的30

万台到3000万台，锂和钴这种稀缺能源不可避免的会面临资源枯竭和价格暴涨。而钠作为仅

次于锂的第2轻的金属元素，丰度高达2.3%～2.8%，比锂高4～5个数量级。未来锂资源一旦

出现枯竭，钠离子电池就有希望可以将其替代。

二．钠离子电池研究现状

早在20世纪七八十年代，有着“后锂电池”之称的钠离子电池就已经被提出，与锂离子电

池几乎同时起步，但随着锂离子电池的成功商业化，钠离子电池研究逐渐被淡化。另外，当时

研究者只是简单地将锂离子电池上成功应用的电极材料套用到钠离子电池上，没有考虑钠离子

电池与锂离子电池对材料晶格结构要求的区别，导致几乎所有的尝试均以失败告终。近年来，

一方面是研究人员认识到锂离子电池大规模应用带来的锂资源紧张，另一方面研究人员也充分

从钠离子电池的特殊性来设计电极材料，进而获得了很多不错的成果，使钠离子电池重新成为

研究热点。

经过近些年的开发竞争，钠离子电池的储能量达到锂的90%，可与之比肩，而且已经有少

数企业开始初步进行研发及应用。例如，国际上，法国国家科学研究中心的研究人员已经开发

了一款18650电池原型产品，在容量和使用时间上可以与部分锂离子电池相媲美。住友电气工

业在2013年开发出了即使电池内部温度较低也能工作的钠离子电池。因为无需散热空间，所以

体积成功缩小到了锂电池以下。目标是应用于住宅用蓄电池和纯电动汽车。丰田公司电池研究

部在2015年5月召开的日本电气化学会的电池技术委员会上也宣布为钠离子电池的正极开发出

了新材料。三菱化学也一直在与东京理科大学开展关于钠离子电池的合作研究。国内方面，迈

科锂电(江苏)有限公司目前已在钠离子前沿FRONTIER62AdvancedMaterialsIndustry电池

材料制作、平台建设等方面获得了突破性的进展。深圳市比克电池有限公司也宣布钠离子电池

的开发已经进入中试阶段，针对钠离子电池能量密度偏低的问题也会不断地进行技术改进。

三．钠离子电池特点

钠与锂属于同一主族，许多理化性质比较相似，也决定了钠离子电池研发的可能性。与锂

离子电池相比，钠离子电池具有2大优势：一是原料成本低，不使用锂、钴等高价稀有金属，

钠最大的优点是在海水等资源中含量丰富，是“取之不尽”的元素；二是可以沿用现有的生产

工序，钠离子电池的工作机制与锂电池相同，电池企业的现有生产设备可以直接用来生产钠离

子电池，因为基本不需要设备投资，所以各家企业很容易将其作为替代电池开展生产。钠离子

电池发展到目前所面临的最大问题是能量密度和功率密度偏低，这也是限制其未来实现商业化

应用的最大问题。

四．钠离子电池正极材料的结构和性能

对于钠离子电池而言，在正极材料方面的研究可谓是百家争鸣。正极材料不仅是提高钠离

子电池性能的关键，也是限制钠离子电池成本的一大瓶颈。目前关于钠离子电池层状正极材料

的研究报道已经很多，但大都含过渡金属镍（Ni）或Co元素，而Ni和Co是锂离子电池正极

材料中广泛使用的元素，用到钠离子电池中其成本下降空间有限，所以Ni和Co不是钠离子

电池正极材料的首选元素；而且这些材料在空气中不稳定，易吸水或与水-氧