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鈉離子電池與鋰離子電池相比較

鉅大LARGE  |  點擊量:65次  |  2020年09月01日  

摘要
鈉離子電池與鋰離子電池相比較  鈉離子電池與鋰離子電池的對比。鋰離子電池本身也開始面臨著增長的極限,尤其是使用壽命與能量密度的提高越來越困難,所以尋找新的替代技術有了天然的需求。鈉資源豐富,開采費用僅

鈉離子電池與鋰離子電池相比較

鈉離子電池與鋰離子電池的比較。鋰離子電池本身也開始面對著上升的極限,尤其是使用壽命與能量密度的提高越來越困難,所以尋找新的替代技術有了天然的需求。鈉資源豐富,開采費用僅為鋰的百分之一,因而鈉離子電池的研發成為科研人員爭相開發的熱點領域。


鈉離子電池與鋰離子電池的比較:


在尋找鋰離子電池替代品方面,科學家們一直在努力,現在,鈉離子電池成為一個新的有前景落地的方向。鋰離子電池現在可謂是風頭正勁,集萬千寵愛于一身,但是在這熱鬧之下,一場危機正在醞釀,鋰離子電池的近親——鈉離子電池正在醞釀奪權。


鈉離子電池:鈉離子電池是一種二次電池(充電電池),重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。在充放電過程中,Na+在兩個電極之間往返嵌入和脫出:充電時,Na+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極;放電時則相反。


鈉離子電池最重要的特點就是利用Na+代替了價格昂貴的Li+,因此正極材料、負極材料和電解液等都要做相應的改變,適應Na離子電池。相比于鋰元素,鈉元素在地殼中的儲藏量十分豐富,獲得Na元素的方法也十分簡單,因此相比于鋰離子電池,鈉離子電池在成本上將更加具有優勢。


目前鈉離子電池最大的難點是尋找一款穩定的鈉離子電池負極材料,傳統的鋰離子電池負極材料——石墨,能夠與Li結合,形成LiC6結構的化合物,理論比容量為372mAh/g,但是石墨僅能儲存十分有限的Na離子,這可能是由于Na會首先在石墨表面形成鍍層,而不是與石墨形成化合物。


鈉離子電池雖然能量密度不及鋰離子電池,但是由于Na資源豐富,且十分容易獲得,加之目前碳酸鋰價格高漲,因此從長遠來看,Na離子電池仍然具有十分廣泛的應用前景,在一些對能量密度要求不高的領域,例如電網儲能、調峰,風力發電儲能等方面還是具有應用前景的。


與鋰離子電池相比,鈉離子電池具有下列優勢:


首先,與鋰相比,鈉具有相似的理化性質,且儲量豐富,價格低廉;


其次,原理上,鈉離子電池的充電時間可以縮短到鋰離子電池的1/5;


第三,由于鈉鹽特性,允許使用低濃度電解液,可降低成本;


第四,鈉離子不與鋁形成合金,負極可采用鋁箔作為集流體,可降低成本和電池重量。


據了解,目前鈉離子電池的能量密度只能達到120瓦時/公斤。所以,在能量密度這一技術指標上,鈉離子電池還不能與鋰離子電池相提并論,因為鋰離子電池的能量密度300瓦時/公斤以上。


從能量密度的角度來說,現在的鈉離子電池只能達到鋰離子電池的一半以下,因此鈉離子電池目前只能用在低速電動汽車、電動船、家庭儲能等對能量密度要求較低的領域,目前還不能用鈉電池做出高速電動汽車。


鋰離子電池和鈉電池的差別重要有:


1、電池內部電荷載體的不同,鋰離子電池是通過鋰離子在正負極之間移動、轉換實現充放電的,而鈉離子電池則是由鈉離子在正負極之間的嵌入、脫出實現電荷轉移的,其實二者的工作原理是相同的。


2、兩者離子半徑不同,這半徑差別導致鈉離子電池的性能遠遠不及鋰離子電池;鋰離子的負極可以使石墨,但是鈉離子幾乎不能再石墨中脫嵌/嵌入,容量很??;其他碳材料經過處理最多可以達到差不多300多毫安時;離子在正極中的容量很小,只有一百多毫安時;鈉離子在正負極中嵌入/脫嵌阻力很大,源于半徑大;可逆性差,不可逆容量損失大。


鈉離子電池是未來儲能電池的重要發展方向之一。隨著鈉離子研發技術的不斷進步,鈉離子電池的商業化進程會不斷加快,也許提前布局這一領域有望在新能源電池領域搶得先機。當然現在說鈉離子電池取代鋰離子電池似乎為時尚早。


因此,仍有諸多問題亟待解決,實現大規模、高安全性、低成本、高能量、高功率密度和長壽命的目標,方能實現鈉離子電池的產業化。


鈉離子電池原理

鈉離子電池(Sodium-ionbattery),是一種二次電池(充電電池),重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。


在充放電過程中,Na+在兩個電極之間往返嵌入和脫出:充電時,Na+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極;放電時則相反。新款18650鈉離子電池,借助了鈉離子轉移(而不是鋰離子)來存儲和釋放電能。


研究人員將這種特定的材料定位商業機密,LITEN合作研究員Lo?cSimonin指出:“其能量密度可與磷酸鐵鋰等鋰離子電池相匹敵”。


鈉離子電池使用的電極材料重要是鈉鹽,相較于鋰鹽而言儲量更豐富,價格更低廉。由于鈉離子比鋰離子更大,所以當對重量和能量密度要求不高時,鈉離子電池是一種劃算的替代品。


與鋰離子電池相比,鈉離子電池具有的優勢有:(1)鈉鹽原材料儲量豐富,價格低廉,采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料,原料成本降低一半;(2)由于鈉鹽特性,允許使用低濃度電解液(同樣濃度電解液,鈉鹽電導率高于鋰電解液20%左右)降低成本;(3)鈉離子不與鋁形成合金,負極可采用鋁箔作為集流體,可以進一步降低成本8%左右,降低重量10%左右;(4)由于鈉離子電池無過放電特性,允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg,可與磷酸鐵鋰離子電池相媲美,但是其成本優勢明顯,有望在大規模儲能中取代傳統鉛酸電池。


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