锂钠电池的自述
背景
自从法拉第发现电磁感应以来，人类进入了电的天堂，人们尽情地探索，享受着电带来的惊喜和便利。从此，人们的生活就离不开电了。电池的发明，将人们带入了移动电源的便捷时代，电可以随人而动，真正实现了人与电密不可分。在生活中，我们使用各种各样的电池来满足生产生活的需要。在众多种类的电池中，锂电池因其制造工艺成熟、性能优异而更为常见。人类的生存发展与能源息息相关，因此电池技术产业是一个永无止境的产业。电池技术的研究还在朝着原材料更容易获取、性能更佳、体积和重量更小、更环保的方向发展。
在锂电池占据电池行业主导地位的今天，后起之秀钠电池是否会取代锂电池呢？
今天，锂离子电池（小锂）和钠离子电池（小钠）相遇、交流，并达成共识。请看下面他们的对话。
小丽：小娜，你好！我是人们日常生活中常用的便携式移动能源——锂电池（-ion），它在各种生活、生产场景中发挥着重要作用，如图1所示。
图1 锂电池在日常生活中的应用场景（来源于网络）
小娜：小李，你好！我知道你现在是人类的好帮手，人类离不开你！我是一个很有发展潜力的钠离子电池（-ion），虽然我没有你快，但是现在很多科学家都在研究我。小李，能不能给我讲讲电池的历史？
小丽：在我们电池的世界里，除了我们化学电池家族，还有物理电池家族。化学电池家族各成员的工作方式都是化学能和电能的相互转化，而物理电池家族则是各种物理能和电能的相互转化。化学电池家族分支主要有一次电池（干电池）、二次电池（蓄电池）、燃料电池和备用电池等。二次电池与一次电池相比，既具有放电又具有充电的特点，可以多次循环使用。二次电池在节省材料、提高经济效益方面具有一定的优势。其中二次电池种类繁多，广泛生产和使用的有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锌银电池等。20世纪是电池技术飞速发展的世纪，本世纪二次电池的发展路线图如图2所示。
图2 20世纪二次电池发展路线图（来源：网络）
20世纪70年代，能源问题日益严峻，幸运的是，有一批志同道合的科学家，致力于开发新能源，应对能源危机。ME的诞生离不开三个国家的科学家，分别是美国的约翰·B·古迪纳夫、英国的斯坦利·惠廷汉姆和日本的吉野彰（见图3）。2019年10月9日，瑞典皇家科学院秘书长乔兰·汉森代表诺贝尔化学奖委员会宣布，2019年度诺贝尔化学奖将授予这三位科学家，以奖励他们为ME的发展做出的划时代的贡献。
图3 2019年诺贝尔化学奖获得者（从左至右：古迪纳夫、惠廷汉姆、吉野彰）（图片来自网络）
小娜：小丽的人生故事太传奇了！我很好奇你是由什么构成的？你是如何为人们提供电力的？
小丽：我的组成其实很简单，主要是由正极、负极、电解液和外壳组成。常用的正极材料有磷酸铁锂、钴酸锂、三元材料等。负极材料有碳负极材料和非碳负极材料。还有在正负极之间传导离子的电解液。外壳一般是钢壳或者铝壳。我被做成各种形状、大小的产品，所以面形很多；内部结构也大同小异。下面我给大家分享一下我的外部照片（如图4所示）和钴酸锂电池内部照片（如图5所示）。
图4 各类锂电池产品（来源于网络）
图5 钴酸锂电池内部结构（来源于网络）
小丽：我是通过Li+和电子在正负极之间来回移动来实现能量的转换，从而实现电能的储存和释放。钴酸锂电池工作过程示意图如图6所示。
图6 钴酸锂电池充放电过程示意图（来源于网络）
小丽：在钴酸锂电池中，充电和放电过程中发生的电极反应和总反应如下[1]：
小锂：充电时，部分Li失去电子变成Li+，向负极方向移动，并从正极脱嵌；放电时，Li+向正极方向移动，获得电子变成Li，嵌入正极。
小丽：制造我，需要一种金属元素——锂（Li）。锂是密度最小的金属，密度只有0.534g/cm3。因此，我是一个真正轻巧的电池，让便携式电子设备得以普及。就连电动汽车和航天工业都对我情有独钟。可以说，没有我，就没有今天人们可以享用的便携式设备。我也曾与晶体管一起被誉为电子工业最伟大的发明。从我诞生到商业化和生活化应用，已经过去了30多年。今天，我依然是最好的电池技术，对现代人类的日常生活有着不容置疑的影响力。
小李：小娜，你有什么特别之处？为什么现在受到科学家的青睐？
肖娜：要制造它还需要一种金属元素——钠（Na）。浩瀚海洋中最丰富的阳离子是Na+，而地球上的海洋面积比陆地面积大得多。接下来我来介绍一下我的正极、负极和电解质材料。正极材料是一些钠离子化合物如、等。负极材料大致有碳（石墨烯等）、合金（钠合金）和有机（对苯二甲酸钠等）[2]。电解质分为液态和固态两大类，都是掺杂了钠盐的混合物。通常液态电解质制成后Na+浓度在1mol/L左右，是将钠盐溶解在有机溶剂中制成的，有机溶剂必须是无水的，主要有碳酸酯如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、四氢呋喃（THF）等。固态电解质以聚合物为基础，有链状、梳状和网状聚合物等。 掺杂盐的种类很多，但都有一个共同点，就是一般都是带负电荷的大阴离子。一般可分为氯离子盐（NaPF6、NaBF4等）、氟化钠盐（NaPF6、NaBF4等）、有机钠盐（NaB(C6H5)4等）[3]。自然界中锂的丰度不足0.1%，其中75%在美国，我国锂资源就更少了，大部分需要从国外购买。制造我的钠离子来源充足，其他材料价格相对便宜，所以我的生产成本就大大降低了。我和你的成本对比如下图7所示。
图7 锂离子电池与钠离子电池成本对比（来源于网络）
肖娜：工作原理跟你差不多，电池外部移动的金属离子和电子在正负极之间来回穿梭，形成一个回路，就是所谓的“摇椅”模型（如图8所示）。在充放电过程中，Na+在正负极之间来回穿梭，充电时Na+在正极脱嵌，穿过电解液，变成钠元素嵌入负极；放电时则相反。
图8 钠离子充电电池“摇椅”模型（来源于网络）
小丽：从成本上来说你们确实比我好，除了这个以外，还有什么方面和我不一样呢？
小娜：从安全性上来说，我比你安全。你在工作过程中容易长出锂枝晶，枝晶状的锂晶体长到一定程度后，容易刺破电池，破坏电池内部结构，造成短路、自燃。而我不容易长出枝晶，所以自燃的概率低。另外，因为我的工作原理和你类似，所以也能完美兼容锂电池设备；我使用的集流体是金属铝，比铜便宜。我的诸多优势如图9所示。
图9 钠离子优势图（来源于网络）
从性能上来说，你比我好。因为Na+的半径比Li+大，同样体积的材料中Na+的数量就少，能携带的电荷自然就少，所以我的能量密度和功率密度就比你的小。我们的优势劣势对比见表1。
表1 钠离子电池与锂离子电池比较
小李：看来我们两个都有优点和缺点，我是人们生活中使用频率比较高的一个充电电池，很多数码、通讯设备中都能看到我的身影，小奈，你主要在哪些方面为人类服务呢？
肖纳：其实早在上世纪70年代，我和你们差不多就引起了科学家的关注[4]，但由于当时的研究条件和市场需求，我的开发进度没有你们快。近几年，由于当地锂资源短缺，对我的研究加快了，但要达到量产阶段还需要一段时间。科学家们正在攻克一些技术难关，希望在21世纪中叶将我商业化。 CATL董事长曾毓群曾说“氯化钠（价格）不能炒作，因为盐很多”，并表示未来要把我和你们混在一起，尽快将我商业化。中科海纳于2018年6月推出了国内首款钠离子电池低速电动车，并在中科院物理研究所进行实验（如图10所示）。 除了 CATL 和中科海纳，国内外几家公司（中国钠创新能源、中国星钠、英国、美国、法国规划集团）在钠离子电池方面都取得了不错的研究成果，也做出了产业布局战略。目前，我国在钠离子电池方面的研究领先于世界，有望在钠离子电池研究方面占据领先地位。
图10 钠离子电池电动汽车（来源于网络）
小娜：由于我的能量密度和功率没有你的好，所以我更多的是用在低速用电设备和储能方面（如图11）。
图11 钠离子的应用场景（来源于网络）
小李：太好了！很快你就能帮我服务人类了。我们各自在自己的领域为人类带来便利。
小娜：人类在能源发展的道路上历经艰辛、不懈探索，才得以来到这个世界上。让我们共同努力，服务人类、回馈人类！
在可持续发展的道路上，从化石能源向非化石能源的转变是必由之路，但非化石能源也将面临资源枯竭。在锂资源匮乏、锂电池技术进展缓慢的当下，钠离子电池的出现是一个新的里程碑。这些新型电池的出现，距离实现清洁能源、电动交通、“碳中和”的目标又近了一步。
电池技术是一项复杂而精密的工艺技术，是多学科的共同努力。电池的研发离不开化学、物理、材料、能源、环境、化工等各领域专家的努力，正是他们为了人类可持续发展的不断探索，才让人类享受到了科技带来的便利。宁德时代董事长曾毓群曾说：“我们相信，电化学的世界就像一个能量魔方，未知的远远大于已知的，我们乐于探索其中的奥秘。”我们在享受科技成果带来的美好的同时，也别忘了向可爱又伟大的科学家致敬！
參考
文学
[1]陈俊辉.4.5V高电位钴酸锂正极材料的改性及电化学性能[D].南京理工大学,2019.
[2] 郭金志, 万芳, 吴兴龙, 张静萍. 钠离子电池工作原理及关键电极材料研究进展[J]. 分子科学学报, 2016, 32(04): 265-279. DOI: 10.13563/ki..2016.04.001
[3]吴振军，陈宗章，唐宏伟，李素芳. 钠离子电池研究进展[J]. 电池，2002,(01):45-47。
[4] GH,L P.[J].J Soc,1980,127(10):2097-2099.