背景
自法拉第发现电磁感应后，人类便踏入了电的乐园，人们在电乐园里尽情地探索，享受着电带来的惊喜和方便。从此，人们再也离不开电了。电池的发明则让人们步入了移动电源的便捷时代，电可以跟随人移动，真正实现了人和电形影不离。在生活中，我们使用各种各样的电池来满足生产生活需求。在诸多种类的电池中，由于锂电池的制造技术比较成熟，性能比较优异，因而锂电池的身影比较多见。人类的生存发展与能源休戚与共，因此电池技术行业是一个永不落幕的行业。电池技术的研究依然在向着原料更易得、性能更优异、体积重量更小、更绿色环保等方向前进。
在锂电池作为电池界翘楚的今天，后起之秀钠电池会取代锂电池的地位吗？
今天锂离子电池（小锂）和钠离子电池（小钠）见面了，进行了交流，达成了共识。接下来请看他们的对话。
小锂：小钠，你好！我就是现在人们日常生活中常用的便携式移动能源-锂电池(Lithium-ion battery)，在各种生活生产场景中有着举足轻重的地位，如图1所示。
图1 锂电池生活应用场景(图源于网络)
小钠：小锂，你好！我知道你现在是人类的好帮手，人们的生活已经离不开你了！我是颇具发展潜力的钠离子电池(Sodium-ion battery)。我并没有你发展得那么快，但现在有很多科学家正在研究我。小锂，能跟我简单讲讲电池的历史吗？
小锂：在我们电池界除了我们化学电池这个大家族外，还有物理电池家族。化学电池家族里的每个成员的工作方式是化学能和电能相互转化，而物理电池家族则是各种物理能量和电能进行转化。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）、燃料电池和储备电池。二次电池相较于一次电池来说，具有既可以放电又可以充电的特点，可以多次循环使用。二次电池在节约材料提高经济效益上有着一定的优势。其中二次电池种类非常多，生产和应用广泛有铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、锂离子电池、锌银电池等。20世纪是电池技术迅猛发展的一个世纪，在这个世纪里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（图源于网络）
20世纪70年代，能源问题日渐加剧，幸运的是当时有一群志同道合的科学家致力于开发新能源，以应对能源危机。我的诞生离不开三个国家的科学家，他们分别是美国的约翰·巴尼斯特·古迪纳夫（John B. Goodenough），英国的斯坦利·惠廷厄姆（M. Stanley Whittingham）和日本的吉野彰（Akira Yoshino）（如图3）。2019年10月9日，瑞典皇家科学院秘书长约兰·汉森代表诺贝尔化学奖评委会宣布将2019年诺贝尔化学奖授予这三位科学家，以奖励他们为我的发展所作出的划时代贡献。
图3 2019年诺贝尔化学奖获得者（左起古迪纳夫、惠廷厄姆、吉野彰）（图源于网络）
小钠：小锂的身世如此传奇！很好奇你的组成是什么？你是如何为人们提供电能的？
小锂：我的构成其实很简单。我主要由正极、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、非碳负极材料。在正、负极之间还有传导离子的电解液。外壳一般是钢壳、铝壳。我被制成各种形状和大小的产品，因此我有着多副面孔；内部结构也是大同小异。下面给大家分享下我的外部照（如图4）和一张钴酸锂电池内部照（如图5）。
图4 各种锂电池产品（图源于网络）
图5 钴酸锂电池内部结构图（图源于网络）
小锂：我是通过Li+和电子在正负极间的往返移动实现能量转化的，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（图源于网络）
小锂：在钴酸锂电池中，我充放电工作时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+向负极移动，从正极LiCoO2中脱嵌；放电时Li+向正极移动得到电子变成Li，在正极LiCoO2中嵌入。
小锂：制造我需要一种金属元素-锂（Li）。锂是密度最小的金属，其密度仅为0.534 g/cm3。因此我是真正意义上的轻质电池，为便携式电子设备的普及提供了可能，甚至电动汽车、航天业也十分青睐我。可以说如果没有我，就不会有如今人们所能享受到的一切便携式设备。我还曾和晶体管一起被视作电子工业中最伟大的发明。我从诞生到商业和生活应用已有30多年，仍是如今最好的电池技术，对现代人类日常生活有着不言而喻的影响力。
小锂：小钠，你有什么过人之处？现在为什么也会受到科学家的青睐？
小钠：制造我也需要一种金属元素-钠（Na），浩瀚的海洋中最多的阳离子就是Na+，地球上的海洋面积又远远比陆地面积大。接下来介绍我的正极、负极和电解质材料。正极材料是一些钠离子化合物如NaxCoO2、NaxMnO2等。负极材料大致有碳类（石墨烯等）、合金类（钠合金）和有机类（对苯二甲酸钠等）[2]。电解质有液态和固态两大类。都是掺入钠盐的混合物。通常液态电解质制成后其中Na+浓度大约为1mol/L，是用有机溶剂溶解钠盐制得。有机溶剂要求无水，主要有碳酸烯酯类如碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）、四氢呋喃（THF）等。固态电解质则是以高聚物作为基体，高聚物又包括链状的、梳状的、网络状三种。掺杂盐有很多种，但都有一个共同点即一般都带有负电荷的大体积阴离子。大体可分为氯化复盐（NaAlCl4、NaFeCl4等）、氟某酸钠盐（NaPF6、NaBF4等）、有机钠盐 （NaB (C6H5)4、NaC6H5CO2等）[3]。锂在自然界的丰度不足0.1%，而且75%都在美洲，中国的锂资源更少，大多都需要从国外购进。制作我的钠离子来源充足，其他材料价格也较便宜，因此我的制作成本大幅降低。我与你的成本对比如下图7所示。
图7 锂离子电池和钠离子电池的成本对比图（图源于网络）
小钠：工作原理上我与你类似，都是金属离子和电池外运动的电子在正负极之间往返形成回路，即所谓的“摇椅”模型（如图8）。我在充放电过程中，Na+在正负电极之间往返。充电时，Na+在正极脱嵌出来，经过电解质，得到电子变成钠单质嵌入负极；放电时则相反。
图8 钠离子可充电电池“摇椅”模型（图源于网络）
小锂：在成本方面你的确胜过我。除了这一点外，你还有什么方面跟我是不一样的？
小钠：在安全方面，我比你更安全些。你在工作过程中容易生长出锂枝晶。当像树枝一样的锂晶体长到一定程度时，易刺穿电池，电池内部结构被破坏，发生短路而自燃。而我则不容易生长枝晶，因而发生自燃的概率就低。除此之外，我因为和你有类似的工作原理，还能和锂电设备完美兼容；我使用的集流体是金属铝,铝比铜便宜。我的诸多优势如图9所示。
图9 钠离子优势图（图源于网络）
在性能方面，你比我更优异一些。因为Na+比Li+的半径更大，在相同体积的材料内，Na+数目更少，所能携带的电荷自然也就越少，所以我的能量和功率密度都比你小。我们的优缺点对比如表1所示。
表1 钠离子电池与锂离子电池比较
小锂：看来我俩都既有优点也有缺点。我是人们生活中使用较多的可充电电池，在很多数码和通信设备中都能见到我。小钠，你又主要在哪些方面服务人类呢？
小钠：其实早在上个世纪70年代，我几乎跟你一起得到科学家们的注意[4]，但由于当时研究条件和市场化需求的影响，我的发展进度没有你那么快。近些年来由于本土锂资源供应不足，因此对我的研究正在加速，但要达到量化生产的阶段尚需时日。科学家们正在攻克一些技术难题，有望在21世纪中期，让我实现市场化。宁德时代董事长曾毓群曾说过“氯化钠（价格）炒不起来，盐很多”，并表示接下来会把我和你混搭使用，尽早让我商业化。中科海钠已于2018年6月推出了国内第一辆钠离子电池低速电动汽车，并在中科院物理研究所园区内进行试验（如图10）。除了宁德时代、中科海钠外，国内外已有数家企业（中国钠创新能源、中国星空钠、英国FARADION、美国Natron Energy、法国NAIADES计划团体）在钠离子电池上取得了不错的研究结果，也陆续对我做出了产业化布局战略。目前中国对于我的研究领先于世界，有望掌握钠离子电池研究主导权。
图10 钠离子电池电动车（图源于网络）
小钠：由于我的能量密度和功率不如你，所以我更多的是用在低速电动设备和储能方面（如图11）。
图11 钠离子应用场景（图源于网络）
小锂：太棒了！不久你就可以帮我一起服务人类了，我们各自在适合自己的领域里为人类带去便捷。
小钠：人类在能源发展的道路上历经辛苦，不屑懈探索，我们才得以降临于世，让我们一起努力服务人类、回报人类吧！
在可持续发展的道路上，从化石能源向非化石能源转型是必经之路，但非化石能源也会面临资源的耗竭。在锂资源紧张且锂电池技术进展缓慢的如今，钠离子电池横空出世，是一个新的里程碑。这些新型电池的出现，离实现能源清洁化、交通电动化和“碳中和”目标又进了一步。
电池技术是一门复杂且精细的工艺技术，是诸多学科领域的共同作品。电池的研究和开发离不开化学、物理、材料、能源、环境、化工等行业专家们的努力，正是他们为了人类的可持续发展而不断探索，让人类能够享受科技带来的便利。宁德时代董事长曾毓群也曾说：“我们认为，电化学的世界，就像能量魔方，未知远远大于已知，我们乐此不疲地探索着其中的奥秘”。我们在享用科技果实带来美好的同时，别忘了向可爱的伟大的科学家们致敬！
转自：“国家纳米科学中心”微信公众号
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