能源問題

 

能源是支撐整個人類文明進步的物質基礎。隨著社會經濟的高速發(fā)展，人類社會對能源的依存度不斷提高。目前，傳統(tǒng)化石能源如煤、石油、天然氣等為人類社會提供主要的能源。化石能源的消費不僅使其日趨枯竭，且對環(huán)境影響顯著。因此，改變現有不合理的能源結構已成為人類社會可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問題

 

目前，大力發(fā)展的風能、太陽能、潮汐能、地熱能等均屬于可再生清潔能源，由于其隨機性、間歇性等特點，如果將其所產生的電能直接輸入電網，會對電網產生很大的沖擊。在這種形勢下，發(fā)展高效便捷的儲能技術以滿足人類的能源需求成為世界范圍內研究熱點。

 

鋰離子電池

 

目前，儲能方式主要分為機械儲能、電化學儲能、電磁儲能和相變儲能這四類。與其他儲能方式相比，電化學儲能技術具有效率高、投資少、使用安全、應用靈活等特點，最符合當今能源的發(fā)展方向。電化學儲能歷史悠久，其中鋰離子電池是發(fā)展較為成熟的儲能電池。

 

鋰離子電池具有能量密度大、循環(huán)壽命長、工作電壓高、無記憶效應、自放電小、工作溫度范圍寬等優(yōu)點。但其仍然存在很多問題，如電池安全、循環(huán)壽命和成本問題等。而且隨著鋰離子電池逐漸應用于電動汽車，鋰的需求量將大大增加，而鋰的儲量有限，且分布不均，這對于發(fā)展要求價格低廉、安全性高的智能電網和可再生能源大規(guī)模儲能的長壽命儲能電池來說，可能是一個瓶頸問題。因此，亟需發(fā)展下一代綜合效能優(yōu)異的儲能電池新體系。

 

鈉離子電池

 

相比鋰資源而言，鈉儲量十分豐富，約占地殼儲量的2.64%，且分布廣泛、提煉簡單。同時，鈉和鋰在元素周期表的同一主族，具有相似的物理化學性質，其基本的性質對比見表1。

 

表1 金屬鈉與金屬鋰基本性質對比

 

鈉離子電池具有與鋰離子電池類似的工作原理，利用鈉離子在正負極之間嵌脫過程實現充放電。
 

 

充電時，Na＋從正極脫出經過電解質嵌入負極，同時電子的補償電荷經外電路供給到負極，保證正負極電荷平衡。放電時則相反，Na＋從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極。

 

在正常的充放電情況下，鈉離子在正負極間的嵌入脫出不破壞電極材料的基本化學結構。從充放電可逆性看，鈉離子電池反應是一種理想的可逆反應。因此，發(fā)展針對于大規(guī)模儲能應用的鈉離子電池技術具有重要的戰(zhàn)略意義。

 

鈉離子電池優(yōu)勢

 

與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有的優(yōu)勢：

 

1.鈉鹽原材料儲量豐富，價格低廉，采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料，原料成本降低一半；

 

2.由于鈉鹽特性，允許使用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導率高于鋰電解液20%左右）降低成本；

 

3.鈉離子不與鋁形成合金，負極可采用鋁箔作為集流體，可以進一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；

 

4.由于鈉離子電池無過放電特性，允許鈉離子電池放電到零伏。鈉離子電池能量密度大于100Wh/kg，可與磷酸鐵鋰電池相媲美，但是其成本優(yōu)勢明顯，有望在大規(guī)模儲能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。

 

鈉離子電池存在的問題及解決方法

 

1.鈉離子電池是一種有別于鋰離子電池的電池體系，將鋰離子電池電極材料直接應用到鈉離子電池的研究上是一種捷徑。但尋找新的具有高能量密度和功率密度的正極材料，同時尋找在循環(huán)過程中體積變化小的負極材料，提高電池的循環(huán)穩(wěn)定性，才是提高鈉離子電池性能的重要途徑，也是使鈉離子電池早日應用到大規(guī)模儲能的關鍵；

 

2.目前對于鈉離子電池電極材料的合成方法比較單一，傳統(tǒng)的固相法和凝膠溶膠法是主要的制備方法，且對電極材料的改性研究較少。尋找更簡單高效的合成方法，同時對性能較好的材料進行改性研究也是提高鈉離子電池性能的一條途徑；

 

3. 安全問題是制約鋰離子電池發(fā)展的重要因素，而鈉離子電池同樣面臨安全問題。因此，大力開發(fā)新的電解液體系，研究更為安全的凝膠態(tài)及全固態(tài)電解質是緩解鈉離子電池安全問題的重要方向。

 

此外，鈉離子的液態(tài)記憶這項難題現在也被攻克。（液態(tài)記憶：將液體形狀改變，經過一段時間，自身會恢復到之前的狀態(tài)。）

 

隨著鈉離子電池研究的深入，將會開發(fā)出新的材料，電池的容量和電壓將會進一步得到提升。鈉離子較低的成本，使得鈉離子電池有望應用在智能電網或可再生能源的大規(guī)模儲能中。