01研究背景

動力電池是新能源汽車的能源儲存裝置，主要包括鋰離子電池、鈉離子電池、固態電池等多種類型。它們具有高能量密度、長壽命、環保等優點，成為了替代傳統燃油汽車動力的關鍵技術。鈉離子電池是一種新型的可充電電池技術，其研究背景主要源于對鋰離子電池的改進和發展需求。鋰離子電池作為目前廣泛應用于移動電子設備和電動汽車等領域的主流電池技術，具有高能量密度和長壽命等優點。然而，鋰資源有限且分布不均，導致鋰離子電池的成本相對較高。此外，全球對鋰資源的需求也持續增長，可能面臨供應瓶頸的風險。因此，研究人員開始尋找替代鋰的電池材料，其中鈉是一個備受關注的候選者。鈉在地殼中的分布比鋰更為豐富，價格也相對較低，具有潛在的替代鋰的優勢。相比于鋰離子電池，鈉離子電池的優勢如圖1所示。

圖1鈉離子電池的優勢

02鈉離子電池研究現狀

隨著鋰離子電池需求的增長，對鋰資源的依賴度越來越高。由于地殼中儲量較少，需要尋找替代鋰離子電池的其他電池技術。鈉離子電池是一種備受關注的選擇，因為地殼中鈉資源豐富且分布均勻，并且鈉與鋰具有相似的化學性質，因此可以借鑒鋰離子電池的成功經驗。

近年來，研究人員對鈉離子電池進行了大量研究，并開發了多種正負極材料和電解液體系。在正極方面，研究者們開發了類似于鋰離子電池正極材料的層狀或隧道結構的過渡金屬氧化物、普魯士藍類正極材料以及聚陰離子型正極材料等。在電解液方面，研究者使用相應的鈉鹽替代鋰鹽，開發了以不同鈉鹽為溶質，配合不同溶劑（如碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯等）的多種電解液體系。同時，為了提高電池的安全性和電化學性能，研究者們還開發了固態電解質和其他新型電解液體系。

圖2正極中循環性能不穩定的內部機理

a）不可逆的相變. b）形態變化. c）循環后晶格彎折. d）相間不穩定. e)空氣敏感性

負極研究方面，硬碳材料由于既可以通過裂解生物質碳源制備，也可以通過裂解高分子聚合物獲得, 具有來源廣泛、無毒環保、儲鈉電位低和比容量較高等優勢而被廣泛研究。這些技術的開發旨在提高鈉離子電池的能量密度、循環壽命和安全性能，以滿足儲能領域日益增長的需求。

圖3 鈉離子在硬碳中儲存機理示意圖:

a)“插層-吸附”機制. b) “吸附-插層”機制. c) 硬碳的微觀結構隨熱解溫度的變化的演變及對應的儲鈉機制和行為. d) 多孔碳孔結構調整和閉孔儲鈉機制. e) 不同的鈉化階段的硬碳電極的非原位WAXS 曲線. f) 硬碳儲鈉的“吸附-插層-孔充填”機理.g)放電/充電到不同電壓的硬碳電極與質子溶劑的化學反應. h) 完全鈉化的電極與乙醇反應后產生的 H2的氣相色譜圖. i) 硬碳中鈉的穩態示意圖

鈉離子電池的熱安全問題也需要更多的關注。造成電池熱失控的原因眾多，根據起始的觸發條件，可以分為，機械濫用觸發、電濫用觸發和熱濫用觸發，機械濫用指的是鋰離子電池在使用過程中受到外力的作用，例如碰撞、擠壓而失效；電濫用一般是由于電池管理系統出現故障而引起的；熱濫用則是由于溫度管理不當，電池受到非正常的內部或者外部加熱引起的。盡管三者的觸發方式不同，但是最終都會導致電池隔膜破裂，進而引發電池熱失控。

圖4 鈉離子電池研究現狀

03總結

通過對現有的相關研究進行總結歸納，發現對鈉離子電池的研究主要集中在電極電解液材料的優化改性上，其中涉及的性能衰減機制也僅僅停留在電極層面，并沒有在循環中，定量地建立起鈉離子電池的性能衰減老化機制。對于不同材料體系的SIB，也沒有對不同老化路徑的性能衰減演化，尤其是熱失控特性演化規律的相關研究。然而，深入研究性能衰減機制和熱失控機理，有助于提高鈉離子電池的性能和安全性，推動其商業化應用和推廣，對于推動能源存儲技術的發展、優化電池設計和提高安全性具有重要的作用。此外，研究鈉離子電池在電動汽車和儲能系統等應用中的系統集成與設計也是未來的一項重要研究內容。其中包括電池模型的建立、電池狀態估計和控制策略的開發，以優化電池的性能和實現可靠的應用。

審核編輯：湯梓紅