中国粉体网讯 日前，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研发的60伏特钠离子电池组顺利完成在电动两轮车的装车示范，该电池模组以1P20S的方式成组而成，重量约10千克，标准载重75千克，标准续航里程70千米。
青岛能源所固态钠离子电池应用示范
据悉，该钠离子电池是由青岛能源所崔光磊团队通过建立一系列综合性能优异的固态电解质体系，研发出的高能量密度的“钠固1号”型固态钠离子电池，电芯能量密度超140 Wh/kg，电池模组比能量密度超110 Wh/kg，拥有高安全、强动力、长续航及长寿命四大优势，且针刺测试不冒烟、不燃烧、不爆炸。
固态钠离子电池的工作机理和优势
钠离子电池具有资源储量丰富、成本低和与锂离子电池类似的储能机制等优势，使其极有潜力在便携式电子设备、混合动力和全电动车辆等工业中应用。然而，传统液态钠离子电池存在电解液泄漏、易燃等安全问题，并且钠枝晶生长不可控致使电池稳定性较差，形成的“死钠”还将导致钠电池可逆容量损失。
固态钠离子电池采用固态电解质取代传统有机电解液解决了电解液挥发和泄漏带来的燃烧和爆炸等安全问题。同时，固态电解质优越的机械性能和热化学稳定性能改善电池寿命和稳定性及实现高能量正极与金属钠负极在固态钠电池中匹配使用。此外，固态电解质可实现电池设计简化，不需要额外的电解液容器或隔膜组件，从而提升电池的能量密度。固态钠离子电池兼顾高能量密度与高安全性，对开发下一代高能量密度电池和解决能源危机具有重大意义。
固态和液态电池示意图
固态钠离子电池的工作原理与传统钠离子电池相似，充电时 Na+从正极脱出经固态电解质到达负极，负极处于富钠态，正极处于贫钠态，电子通过外电路从正极到达负极，从而保证负极电荷平衡；放电时Na+从负极脱出经固态电解质嵌回正极，正极处于富钠态，负极处于贫钠态，电子通过外电路从负极到达正极进行电荷补偿。固态电解质在固态钠离子电池中既是隔膜也是Na+传导介质。因此，固态电解质作为固态钠离子电池的核心材料，其Na+电导率、化学/电化学稳定性、与电极间相容性和热稳定性是影响固态钠离子电池能量密度、循环寿命和安全性的关键因素。
钠离子电池固态电解质
早在20世纪70年代，钠离子导电固态电解质就被研究人员Goodenough发现。目前，国内外各研究组已经提出了多种固态钠离子导体材料，主要分为氧化物固态电解质、硫化物固态电解质、有机聚合物固态电解质以及新兴的硼氢化钠固态电解质。
氧化物固态电解质：氧化物具有良好的循环性能，适用于薄膜柔性结构。目前，氧化物钠离子固态电解质的研究主要集中在以下两种类型：Na-beta-Al2O3和NASICON型。Na-beta-Al2O3因其高的稳定性、高的离子电导率和高的机械强度，已成功用于高温Na-S和高温Zebra电池中，工作温度约300℃。
硫化物固态电解质：硫化物电解质性能优异，具有较高离子电导率，但对环境要求较高，开发潜力大。目前，Na3PS4是研究最多的钠离子硫化物固态电解质之一，除此之外还有很多玻璃态的和玻璃—陶瓷复合态的钠离子硫化物固体电解质，通常表现出更高的离子电导率。
聚合物固态电解质：聚醚类聚合物中，PEO因其安全性高，柔性好，低密度，良好的成膜性，低玻璃化转变温度和溶解多种钠盐的能力，被认为是一种优异的聚醚类聚合物基体。其聚合物固态电解质具有良好的柔性，利于加工，与现有的液态电池装配设备兼容，可以做成多种形状，使得固态电池的结构设计变得多样化。
硼氢化钠：具有独特的物理和化学性质，如高度形变性、密度小等优点。
固态钠离子电池面临的挑战
实现全固态钠离子电池的实际应用面临一些需要急需克服的问题。电极与固态电解质界面、电解质晶界、正极活性颗粒间空隙、正极活性颗粒与黏结剂或与导电剂间空隙、正极材料内部晶界等导致固-固界面阻抗较大；充放电过程中电极的体积效应、电极活性颗粒碎裂、界面层破裂等形成的新界面也将增加电池界面阻抗、降低电池充放电效率和电池稳定性；充放电过程中Na+在负极侧不均匀沉积导致钠枝晶生长是固态钠离子电池循环性能恶化和电池短路的主要原因。
改善电极与固态电解质界面阻抗、界面兼容性、枝晶生长和电极体积效应是固态钠离子电池的瓶颈。目前，通常引入界面润湿剂、SEI/ CEI层、界面柔性夹层或设计复合固体电解质、复合电极材料、界面原位固化和设计新型电池结构等方法来降低电极与固态电解质界面阻抗并提高界面稳定性和兼容性。低弹性模量的固态电解质、充放电过程中体积变化小的活性材料、离子扩散路径短的固态电解质纳米颗粒也将有助于提高固态钠离子电池的稳定性和电化学性能。
固态钠电池兼具钠离子电池、固态电池双重优势，发展固态钠电池的过程中需要考虑很多因素包括界面、能量和功率密度、安全问题等。国内外许多研究机构和企业都希望争取在钠离子电池产业爆发前，迅速抢占其市场制高点。我国钠离子电池发展具备先发优势。目前，在材料和电池体系研发方面，以及产业化推进速度、示范应用与专利布局等方面，我们都处于国际前列。
参考来源:
1.杨冬荣、梁风等《全固态钠离子电池及界面改性》
2.中国科学报 《青岛能源所完成固态钠离子电池组在低速电动车装车示范》
3.康桥电池能源CamCellLab 《全固态钠电池横空出世！对比锂离子电池优势在哪？》
4.乐普钠电上海 《超越锂电的崭新未来，固态钠电即将引领革命！》
5.储能科学与技术 胡勇胜等《钠离子固体电解质材料研究进展》
（中国粉体网编辑整理/乔木）
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