全球首个钠离子电池汽车发布了
2015年11月30消息，法国一支研究团队已经在可充电电池材料上取得了一项重大进步，“18650”锂电池被普遍用于笔记本、LED手电、以及特斯拉Model S汽车等设备上，但法国国家科学研究中心的研究人员们首次开发出了业界标准的18650规格的钠离子电池。这是最早的钠离子电池规范。
2018年6月20日，中国科学院物理研究所发布新闻称，（全球）首辆钠离子电池低速电动车在物理所园区内示范演示，目前钠离子电池的能量密度已达到120 Wh/kg，是铅酸电池的3倍左右。“低成本钠离子电池有望在低速电动车、电动船、家庭储能、电网储能等领域获得应用。”
钠离子电池的前世今生
先来看下钠，钠的化学性质很活泼。在空气中很容易氧化生成氧化钠，燃烧发出黄色火焰。和水起爆炸反应，生成氢氧化钠，与醇反应生成醇钠。因此通常保存在煤油中。钠可以和大部分元素反应，但是很难和硼、碳、铁和镍反应。钠在高温下可以和硅酸盐反应，侵蚀玻璃和瓷器。
听惯了锂离子电动车的吃瓜群众不禁要问，什么是钠离子电池？
钠离子电池工作原理与锂离子电池类似，利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：
（1）钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；（2）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；（3）钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；（4）由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度大于100Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。
钠离子电池
认识钠离子电池，首先要知道碱金属。按照百度百科的解释，碱金属是指在元素周期表中ⅠA族除氢（H）外的六个金属元素，即锂（Li）、钠（Na）、钾（K）、铷（Rb）、铯（Cs）和钫（Fr），而钠和锂都是碱金属。由于二者的化学性质相似，在锂离子电池占据电动汽车市场主导地位的今天，钠离子电池的问世应该算不上是稀奇事。
钠离子电池研究最早开始于上世纪八十年代前后，早期被设计开发出来的电极材料如MoS2、TiS2以及NaxMO2电化学性能不理想，发展非常缓慢。寻找合适的钠离子电极材料是钠离子储能电池实现实际应用的关键之一。近几年来，根据钠离子电池特点设计开发了一系列正负极材料，在容量和循环寿命方面有很大提升，如作为负极的硬碳材料、过渡金属及其合金类化合物，作为正极的聚阴离子类、普鲁士蓝类、氧化物类材料，特别是层状结构的NaxMO2（M= Fe、Mn、Co、V、Ti）及其二元、三元材料展现了很好的充放电比容量和循环稳定性。
早期的钠离子电池主要以Na/S为主，即钠硫电池，化学反应式为：
2Na+xS=Na2Sx
钠硫电池中的电解质是熔融状态的钠，所以要求运行温度达到300度以上。一些业内人士介绍，仅钠硫电池的预热就需要三天时间。
另外，钠硫电池的安全性偏低。钠的化学性质非常活泼，熔融状态的金属钠遇到空气或水都会剧烈反应，钠硫电池导致的火灾通常只能用沙子覆盖扑灭，但在清理燃烧灰烬时，钠一旦接触空气又会死灰复燃。这是钠硫电池无法大规模推广的原因之一。
常温下钠离子电池的研究，可以追溯到上世纪80年代，但是由于正负极材料难以匹配，钠离子电池的研究一度停滞不前。
进入21世纪，新能源行业的兴起带活了上游产业，各种新兴电池技术开始冒尖，常温钠离子电池也获得了新生。这一时期，钠离子相关的论文发表数量和新闻报道数量显著增加——钠离子电池开始获得更多人的关注。
更多资料和精彩文章就在公众号FutureCar(搜索FutureCar)
上图是1994年至今，钠离子电池相关的学术论文发表数量。
钠离子电池能套用锂离子电池的结构吗？
讨论常温下钠离子电池的研究，不得不提到锂离子电池，因为二者的工作原理十分相似，而锂离子电池已经在电动汽车市场上大获成功。
钠离子电池和锂离子电池都属于浓差电池。浓差电池是由于电池中存在浓度差而产生电势的电池，具体到钠离子电池上，在充放电过程中，钠离子不停脱、嵌于正、负极，在隔膜两侧形成浓度差，进而产生电势。打个比方，钠离子电池中电势产生的过程，就像是离子要钻到电极的“洞”里的过程。锂离子电池也是如此。
基于此，在一些业内人士看来，钠离子电池可以直接套用锂离子电池的结构和原理——反正都是“离子钻洞”，而且，锂离子电池技术已经十分成熟，直接套用可以缩短研发周期，何乐而不为呢。
但是，我对这种看法持保留意见。我认为，钠离子电池可以套用锂离子电池的结构，但是难度较大。虽然钠和锂的化学性质相似，但是物理性质相差不少。
上图为锂的半径，下图为钠的半径。
借用刚才解释浓差电池时打的比方，既然离子要往洞里钻，它的尺寸就不能过大，否则不但离子迁移的动作迟缓，还增大了“进洞”难度，即便硬挤进去，往复多次，就很有可能导致“山洞塌方”，锂离子电池业内称之为“坍塌”或“崩塌”。
上表显示，钠离子的半径比锂离子大30%左右，如果套用锂离子的电池结构，很容易使电池的循环性能大打折扣，运行几十次之后可能就彻底报废了。
另外，要谈钠离子电池套用锂离子电池的结构，必须先找到便宜好用的电极材料等。没有这个大前提，套用是不现实的。
钠离子电池成本有优势吗？
钠的地壳储量巨大（在所有元素中排第6位），受资源限制较小，因此，价格比较稳定。显然，钠的成本优势远超锂。
左图为钠离子电池常见的正极材料，右图为常见的负极材料（横坐标为克容量，纵坐标为标准电势）
但是，事实远比表格中的数据复杂。
在自然界中，钠并不是独立存在的，而是通常以盐的形式呈现出来，最常见的是NaxMO2（M一般是钴、镍、铁、锰、钒，或这几种元素的混合）。因此，对电池成本影响最大的是材料中最贵（单价x含量）的元素，而不一定是价格较低的钠。
同时，制造钠离子电池的电极材料也都不是天然存在的，必须靠后期提炼、加工和合成。因此，加工成本也是影响钠离子电池价格的重要因素。
目前，锂离子电池的规模已经十分庞大。亚化咨询的研究表明， 2017年，中国锂离子电池产量约为88.7GWh。那么，钠离子电池是否能实现类似的规模化发展呢？
从目前的技术来讲，在可预见的时期内，很难。
第一，钠离子电池没有价格优势。虽然钠离子的成本低于锂离子，但在短期内，钠离子电池不太可能撼动已经形成规模的锂离子电池，有限的市场需求不足以拉低钠离子电池的价格。
第二，钠离子电池的安全性较差。现阶段，钠离子电池比锂离子电池的循环寿命短，因此故障率较高、安全系数也比较低。再加上其标称容量过高，一旦发生事故，后果更加严重。
第三，钠离子电池的回收难度大。如果钠离子电池的材料成本低廉的假设成立，那么，材料可回收残值也很低，这样一来，就无法形成自循环的商业模式，而必须由额外的成本来驱动。
钠离子电池的电极材料涂层
当然，钠离子电池的竞争力较弱，并不意味着我们要放弃研发。毕竟，新电化学体系的探索，是从0到1的突破，比在原体系去修正结构的意义更大。研究人员遵循科学的客观规律，稳步推进，钠离子电池也有希望获得重大突破。
但是，如果忽视客观规律，单纯为追逐利润，用商业化和资本化方式运作钠离子电池系统，势必对技术本身造成负担。就像幼年的孩子被寄予过高期望，反倒会影响他未来的发展。
关于钠离子电池的研究从上世纪80年代就已经开始，这项研究的主要目的就是试图找出比锂离子更加廉价、高效的电池技术。
由于钠离子相对更大，需要更大的能量来驱动离子的运动，这方面一度是新电池技术最头疼的问题，直到科学家们像碳芯电池一样，采用碳作为驱动截止，使得钠离子电池的能效可以达到锂电池的7倍之多，而且可循环充电的次数更多。此外，钠离子的液态记忆这项难题现在也被攻克。
