钠离子电池介绍
1.钠离子电池工作原理
钠离子电池实际上是一种浓差电池，正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。
充电过程：Na+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富钠态，正极处于贫钠态，同时电子的补偿电荷经外部电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。方程式可表示为:
正极：NaxMO2 Nax-yMO2+yNa++ye-（其中M为正极材料中的金属元素）
负极：yNa++ye-+C NayC（C为负极材料，如碳材料等）
放电过程：
放电时则与充电过程相反，Na+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。方程式为：
正极：Nax-yMO2+yNa++ye- NaxMO2
负极：NayC yNa++ye-+C
2.电池材料
正极材料
目前钠离子电池相关的正极材料超100种，技术路线尚处于演进中。主流钠离子电池正极材料可分为层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物体系。同样主要考虑材料的电化学性、安全性、化学稳定性和热稳定性，要具备较高的理论比容量和循环寿命。目前过渡金属氧化物体系表现最佳，理论上比容量较高，但循环性能较差。中科海钠使用的铜基氧化物电池能量密度达到145Wh/Kg。例如磷酸铁钠、镒酸铁钠、钛镒酸钠等。聚阴离子化合物具有良好的热稳定性、安全性和循环寿命，但理论比容量和导电性较低。普鲁士蓝类材料存在制造过程中存在配位水难以控制等问题。聚阴离子类通常表示为NaxMy[(XO)n-]z，M为可变价态的金属离子，X为P、S、V、Si等，普鲁士蓝类NaxMA[MB(CN)6].ZH2O，MA和MB为过渡金属离子，层状氧化物类，常用NaxMO2（M=Co、Fe、Mn、Ni等）。
负极材料
与锂离子电池采用的石墨材料负极不同，由于石墨层间距过小，较大半径的钠离子嵌入石墨层间需要更大的能量，无法在有效的电位窗口内进行可逆脱嵌。钠离子电池负极材料的研究方向有硬碳，软碳，钛基氧化物以及合金等，针对硬碳的研究最多，目前商业化的钠离子电池也以硬碳材料作为负极为主。无定形类碳负极在钠离子电池中表现出较高的可逆比容量和较好的循环性能。合金类材料具有较高的比容量、良好的导电性，主要优势是可防止负极在过充电后产生枝晶，延长电池使用寿命，但在钠离子脱嵌过程中存在体积膨胀问题，导致循环性能较差
电解质
电解质是是提高钠离子电池功率特性的关键，主要由溶剂、溶液、添加剂等组成。电解质材料包括液体电解质、固液复合电解质和固体电解质。液体电解质的离子高于固体电解质，主要分为酯类和醍类电解液，但存在液体的高粘度和高成本的缺陷。固液复合电解质通常被称为凝胶聚合物电解质，主要由聚合物、增塑剂以及钠盐组成，在钠离子电池中可以充当隔膜和离子导电载体，安全性较高，但和液体电解质相比，存在电导率较低的问题。固体电解质通常被用来解决液体电解质中存在的安全性问题，具有良好的热稳定性和较高的钠离子迁移数，因此具有出色的能量密度和较大的工作温度范围，但存在界面不稳定、钠离子迁移困难和制造工艺部完善等问题。目前钠离子电池采用的有机电解液系与锂离子电池的电解液成分非常相近，溶剂不变，仅是溶质盐从六氟磷酸锂改为六氟磷酸钠。
隔膜
钠离子电池隔膜完全可以使用和锂离子电池一样的隔膜，用于隔离钠离子电池的正负极，防止短路现象，同时起到离子通道的作用。目前常用的隔膜有：聚烯烃复合隔膜，含氟聚合物隔膜，纤维素隔膜，复合型隔膜
集流体材料
与锂不同，由于铝和钠在低电位不会发生合金化反应，钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔而不是成本更高的铜箔。据判断，钠离子电池集流体铝箔与锂电池基本相同，性能要求基本接近。
外壳结构
电芯的类型从结构上分类主要包括软包电池和圆柱形电池、方形电池等，与锂离子电池的外壳相对应，采用同样的材料。
3. 钠离子电池的性能
2.1标称电压
正负极采用材料不同，标称电压有差别。钠离子电池通常采用钠离子嵌入型材料，如钒酸盐、磷酸铁等，作为正极，其允许的最高电位一般在3.8-4.2V之间。钠离子电池通常采用碳材料作为负极，其允许的最低电位一般在0.01-0.3V之间。因此，钠离子电池的全电池高电压范围一般在3.81-4.5V之间，低电压范围可以到0V。放电没有较平稳的放电平台，常规电流放电平均电压大约在2.6V-3.1V之间，通常标注的标称电压在此范围内。好多电芯规格书上也用平均电压代替标称电压
2.2充电
钠离子电池的充电方法与锂离子电池相同，均为恒流/恒压，充电控制电压略有差别。如图所示，为某一圆柱形电池的不同倍率充电曲线。曲线与磷酸铁锂电池类似，充电过程中电压逐渐缓慢上升，在达到一定电压后迅速上升。通常充电恒压值控制在3.6-4.0V,可以采用锂离子电池的充电方法。充电温度可控制在0~60℃。层状氧化物正极，电池工作电压范围在2.5-3.6V，聚阴离子正极，电池工作电压范围在3.0-4.5V，普鲁士蓝类电池工作电压范围为3.0-3.5V。
2.2常温放电
钠离子电池耐过放电性能很好，可以放电到0V。下图为几种正极材料的充放电曲线。不同材料的充放电电压特性明显不同，对于电池成组时的电池串联数量的匹配影响较大。
放电前期电压较为平稳，但后期电压下降幅度较大，2.0V后下降迅速，前期放电曲线类似于磷酸铁锂，中后期又类似于三元锂电。因此放电终止电压的设定对电池放电容量影响比较大。通常钠离子电池放电终止电压定在1.5V，也有定在2.0V或2.5V，与选择的材料有关。应用中需要实际测试电池在不同终止电压的放电容量，对于不同设计来说对可用容量影响比较大。
2.3倍率性能
由于钠离子在极性容积中溶剂化能低、stokes半径较小，更易去溶剂化且负极采用无定形碳等因素，倍率性能较好。但离子半径但，嵌入脱出阻力大，也影响倍率性能。综合起来，和锂离子电池差不多。针对不同的应用可以进行不同的设计。
2.4低温性能
钠离子电池由于负极材料及电解液原因，低温性能较好，可以-40℃放电，放电容量达到50%以上。但在实际应用时，也需根据实际情况确定可用电压范围内的可用容量，低温肯定放电电压更低，影响有用容量。
2.5高温放电性能
钠盐化合物普遍比锂盐化合物的热稳定性要高，负极SEI膜的主要成分为钠的有机和无机盐组成，其耐分解温度更高，热稳定性更好，且电解液的热稳定性也更高一些，所以电芯可以适应80℃放电的要求。
2.6安全性能
（1）过放电后的恢复性能：也是钠离子电池的一大特点，过放电后恢复能力较强，过放电到0V后不影响电池性能。
（2）常规的过充电、短路、挤压、针刺等，也可按锂离子电池的标准进行，相对安全性要较好。
2.7运输和储存
钠离子电池可以在0荷电状态下运输，可以确保运输过程中的安全性。
储存温度范围更宽，可以在-30-80℃。
2.8循环性能
钠离子电池循环寿命相对锂离子电池较低，通常在1000次循环以上，目前也有许多厂家供应达到2000次~3000次的电池。也有的电芯对标储能锂离子电池，可以达到6000次。
4.钠离子电池优缺点
钠离子电池传统的锂离子电池相比，在能量密度、安全性、可持续性等方面都有着独特的优势和劣势。
优点：
- 资源优势：与锂资源相比，钠资源更加丰富，因此钠离子电池的成本更低，适用于大规模应用。
- 2. 成本优势：资源丰富有利于材料成本的降低。钠离子电池的半电池电势较锂离子电势高0.3-0.4V，即能利用分解电势更低的电解质容积及电解质盐，电解质的选择范围更宽，由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液（同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右），降低成本；钠离子不与铝形成合金，负极可用铝箔，可以进一步降低成本以及重量。
- 3. 安全性高：钠离子电池在充放电过程中相对稳定，不易发生钝化和枝晶状生长等问题，减少了电池损坏和安全风险。钠的活性比锂稳定，因此安全性更高。由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到0V。可以使用非易燃液态电解质，相对锂离子电池更安全
- 高低温放电性能好，工作范围更宽：适应-40℃和80℃放电，这是其他电池难以达到的。
- 环保型强：钠离子电池的材料来自于地球上最为常见的元素之一，可回收利用，不会像其他电池那样对环境造成严重的污染。
缺点：
- 电池寿命：钠离子电池的循环寿命较短，通常1000次循环。目前商品化的通常在1000-2000次，也有的报道可以达到3000次。长期使用或高功率输出下容易出现容量衰减和周期性衰减等问题。
- 能量密度低：由于钠离子电池的电压相对锂离子电池较低，虽然电压能够放的很低，但有效电压范围受限，能量密度相对较低，但仍远高于铅酸电池，钠电池能量密度（一般不到120Wh/Kg），远低于磷酸铁锂电池（160Wh/Kg）和三元锂电（200Wh/Kg以上），与新能源车的匹配度低，但储能领域有较大发展空间。
- 充电速度慢：离子半径大，嵌入脱出困难。相对于锂离子电池，钠离子电池的充电速度较慢，需要更长的时间才能完成充电。
- 电池放电电压较低，在实际高电压应用中，需要串联更多的电芯。
- 技术尚在发展中：钠离子电池的技术仍处于早期阶段，需要进一步研究和改进，特别是在材料稳定性和电极设计等方面。
虽然钠离子电池在安全性、可持续性等方面有很多优点，但也存在着循环寿命短、体积较大、充电速度慢等局限性。成本相比锂离子电池来说还没有明显优势，未来随着技术不断演进和改进，相信钠离子电池将会越来越成熟和广泛应用。