中国粉体网讯 钠离子电池主要分为高温钠离子电池与常温钠离子电池。常温钠离子电池通过电解液进行区分又分为水系钠离子电池和有机系钠离子电池。
目前已开始小批量应用的主要是有机系钠离子电池，有机溶剂系钠离子电池电解液由溶剂（醚类、酯类物质等）、钠盐（高氯酸钠、六氟磷酸钠等）及添加剂（氟代碳酸乙烯酯等）等组成。醚类和酯类电解液的开发在很大程度上推动了钠离子电池的发展。
由于有机系钠离子电池的电解液易燃易爆，存在安全隐患，而水系钠离子电池由于其高安全、无污染、低成本的特点成为大规模储能体系的研究热点。
水系钠离子电池优缺点
水系钠离子电池具有以下优点：
①水溶液电解液采用中性电解质，无酸碱污染，本质稳定安全；
②资源丰富，价格低廉；
③离子电导率高，即使是大尺寸、高厚度的电极，也能实现较高效率和能量密度。
④不易燃，不易爆，不易腐蚀，不含危险、有毒物质，可以作为标准品进行运输；
⑤维护成本低，不需要定期维护；
⑥生产工序简单，对环境没有氧气、水分、洁净度等要求，容易实现低成本制备，容错率高。
水系钠离子电池主要存在两方面的缺点：
①电化学窗口窄。水的热力学电化学分解窗口在1.23V左右，为了避免发生水的分解反应，同时考虑动力学方面因素，水系钠离子电池的电压通常为1.5V，最高一般不超过2V。
②正、负极材料开发难度大。为了防止水分解而发生析氢、析氧等副反应，许多高电位的嵌钠正极材料和低电位的嵌钠负极材料都不适合用于水系钠离子电池，正、负极材料开发难度较大，需要不断加强技术创新。此外，许多钠基化合物在水溶液中的溶解度较大，晶体结构不稳定而会发生分解。这些原因在很大程度上限制了水系脱嵌钠离子电极材料的选择，具有良好应用性能的水系钠离子电池电极材料体系技术难度高。
水系钠离子电池的产业化进展
全球第一家批量生产水系钠离子电池的公司是美国Aquion Energy公司。他们以锰基氧化物作为正极，碳材料为负极材料，Na2SO4水溶液为电解质组装的电池取得了较好的测试结果，可以持续充放电循环5000次以上，而且效率超过85%，其成本不到锂离子电池使用成本的三分之一。
Aquion Energy公司的高光时刻是在2013 年与2016年，彼时曾获得了比尔•盖茨领投的融资，但2017年，在骤降的锂电池价格与新一轮融资宣告失败的双重打击下，该公司宣告破产。
不过，人们追寻水系钠离子电池的脚步并没有宣告停止。
部分水系钠离子电池企业
美国Natron Energy成立于2012年，该公司生产的钠离子电池的电极材料采用的是普鲁士蓝化合物的路线，电解液采用的是安全的水系电解液。其获得专利的普鲁士蓝电极能够更快、更频繁地嵌入和脱嵌钠离子，并且具有更低的内阻。Natron Energy声称，他们的钠离子电池提供了介于铅酸和锂离子之间的强大容量功率密度，超高速充电设施可以在8分钟内完成0-99%充电，循环使用寿命超过5万次，比竞争对手锂离子电池还高出5到25倍。据说它们的热稳定性非常好，因此运输、部署和处置都很安全，没有火灾风险。
Natron Energy水系钠离子电池技术图
不过就目前而言，Natron Energy的钠离子电池无论是重量还是体积，能量密度都相对较低，因此该公司暂时不会向电动车制造商推销这款产品。他们当下瞄准的是工业电池的使用案例：数据中心备用电源、叉车和其他工业车辆、电信设备等。也可能有一些电动汽车的应用，例如，作为电动汽车充电站的缓冲电池，在电网供应和快速充电器之间存储能量，以尽可能快的速度为汽车电池充电。但该公司希望未来的应用包括电动汽车和大规模储能系统。
2022年5月，Natron Energy和低压先进电池技术公司Clarios International宣布达成战略协议，将制造全球首个大规模生产的钠离子电池。根据协议，基于Natron Energy专有的普鲁士蓝电极钠离子化学的电极和大尺寸电池将在Holland-Michigan的Clarios-Meadowbrook工厂于2023年开始量产。
2022年10月，Natron Energy正式推出BlueRack™电池柜，并提供250kW和500kW两种型号配置。这是世界第一款钠离子电池柜，为数据中心，调峰和其他工业电源环境等应用场景而设计。
我国首家量产水系离子电池的企业为恩力能源科技有限公司，该公司在2015年就完成了国内第一条水系离子电池生产线投产。
恩力能源水系离子电池
而近两年发展较快的为贲安能源。贲安能源成立于2017年，总部位于新加坡，是一家从事无机（水系）钠盐电池研发、生产制造、提供无机（水系）钠盐电池储能系统解决方案的高科技跨国企业。其在中国及美国设有全球研发中心，开展无机（水系）钠盐电池的材料、电芯和结构的研发工作。
贲安能源的水系钠离子电池已经发展到第三代，从第一代到第三代产品分别为：第一代BAP1系列（额定电压为6V，额定容量53Ah）；第二代BAP2系列（按照12V标准电堆设计，额定容量为85Ah）；第三代BAP3系列（按照12V标准电堆设计，额定容量为120Ah）。
贲安能源水系离子电池
2021年10月，贲安能源与上海勘测设计院签署了2.5MW/6MWh水系钠盐电池储能系统的供货协议；2021年11月，贲安能源无锡工厂的正式落成，具备100MWh水系钠盐电池的生产能力；2022年3月，贲安能源布局贵州钠离子材料量产基地，一期年产2GWh电池材料，有望2023年第二季度交付。
水系钠离子电池发展前景
水系钠离子电池由于安全环保、资源丰富等特点，在储能领域有着广阔的应用前景，但是现阶段相关产品的能量密度普遍较低，极大地限制了其实用化进程。
由于电极材料决定了水系钠离子电池的能量密度和循环稳定性，关于电极材料的开发及改性是推动水系钠离子电池实用化的关键之一。低成本是水系钠离子电池实用化需要跨越的最重要挑战。在电极材料的选择上，从成本的角度考虑，其中活性金属元素的最佳选择是Fe、Mn、Ti元素，因此普鲁士蓝类似物、锰氧化物、NTP等电极材料具有良好的应用前景。此外，低成本有机电极材料也具有潜在的实用价值。
在电解液的选择上，目前主要考虑的问题是尽可能地拓宽电解液的电化学稳定窗口，提高水的析氧电势并降低析氢电势以容纳更多的高电压正极和低电压负极材料，从而提升水系钠离子电池能量密度。从这个角度考虑，具有较宽电化学稳定窗口的高浓度电解液是首选。此外，循环稳定性也是水系钠离子电池实用化必须考虑的问题之一。水系钠离子电池的循环稳定性与库仑效率具有密切的联系，当电极材料的氧化还原电位与电解液的电化学窗口比较接近时，在较大电流密度下由于过电势的存在会导致水逐渐分解从而使得库仑效率降低。因此水系钠离子电池电极材料的氧化还原电位不能与电解液的窗口电位过于接近。
总之，只有将成本控制、能量密度和循环寿命兼顾，水系钠离子电池才有可能在储能等领域实现大规模应用。相信在不久的将来，随着电极材料和电解液电化学性能的不断提升，水系钠离子电池技术将不断成熟，为新能源的高效利用提供保障。
参考资料：
粉体大数据研究
1、罗冬雪，《高容量水系钠离子电池的构建与性能研究》
2、陈福平等，《储能用钠离子电池的发展》
3、马慧等，《水系钠离子电池的研究进展及实用化挑战》
4、国家电网杂志，《AQUION ENERGY： 高处不胜寒的储能技术》
5、中国化学与物理电源行业协会，《Natron与科锐世合作研发全球首个大规模生产钠离子电池》
（中国粉体网编辑整理/长安）
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