6月20日，中國科學院物理研究所發佈新聞稱，（全球）首輛鈉離子電池低速電動車在物理所園區內示範演示，
目前鈉離子電池的能量密度已達到120 Wh/kg，是鉛酸電池的3倍左右。“低成本鈉離子電池有望在低速電動車、電動船、家庭儲能、電網儲能等領域獲得應用。”中科院物理所的官方報道這樣寫。鈉離子電池的前世今生
聽慣了鋰離子電動車的吃瓜群眾不禁要問，什麼是鈉離子電池？
鈉離子電池
認識鈉離子電池，首先要知道鹼金屬。按照百度百科的解釋，鹼金屬是指在元素週期表中ⅠA族除氫（H）外的六個金屬元素，即鋰（Li）、鈉（Na）、鉀（K）、銣（Rb）、銫（Cs）和鈁（Fr），而鈉和鋰都是鹼金屬。由於二者的化學性質相似，在鋰離子電池佔據電動汽車市場主導地位的今天，鈉離子電池的問世應該算不上是稀奇事。
早期的鈉離子電池主要以Na/S為主，即鈉硫電池，化學反應式為：
2Na+xS=Na2Sx
鈉硫電池中的電解質是熔融狀態的鈉，所以要求運行溫度達到300度以上。一些業內人士介紹，僅鈉硫電池的預熱就需要三天時間。
另外，鈉硫電池的安全性偏低。鈉的化學性質非常活潑，熔融狀態的金屬鈉遇到空氣或水都會劇烈反應，鈉硫電池導致的火災通常只能用沙子覆蓋撲滅，但在清理燃燒灰燼時，鈉一旦接觸空氣又會死灰復燃 。這是鈉硫電池無法大規模推廣的原因之一。
常溫下鈉離子電池的研究，可以追溯到上世紀80年代，但是由於正負極材料難以匹配，鈉離子電池的研究一度停滯不前。
進入21世紀，新能源行業的興起帶活了上游產業，各種新興電池技術開始冒尖，常溫鈉離子電池也獲得了新生。這一時期，鈉離子相關的論文發表數量和新聞報道數量顯著增加——鈉離子電池開始獲得更多人的關注。
1994年至今，鈉離子電池相關的學術論文發表數量。
數據來源：https://www.sciencedirect.com/search?qs=sodium%20ion%20batteries&show=25&sortBy=relevance
鈉離子電池能套用鋰離子電池的結構嗎？
討論常溫下鈉離子電池的研究，不得不提到鋰離子電池，因為二者的工作原理十分相似，而鋰離子電池已經在電動汽車市場上大獲成功。
鈉離子電池和鋰離子電池都屬於濃差電池。濃差電池是由於電池中存在濃度差而產生電勢的電池，具體到鈉離子電池上，在充放電過程中，鈉離子不停脫、嵌於正、負極，在隔膜兩側形成濃度差，進而產生電勢。打個比方，鈉離子電池中電勢產生的過程，就像是離子要鑽到電極的“洞”裡的過程。鋰離子電池也是如此。
基於此，在一些業內人士看來，鈉離子電池可以直接套用鋰離子電池的結構和原理——反正都是“離子鑽洞”，而且，鋰離子電池技術已經十分成熟，直接套用可以縮短研發週期，何樂而不為呢。
但是，我對這種看法持保留意見。我認為，鈉離子電池可以套用鋰離子電池的結構，但是難度較大。雖然鈉和鋰的化學性質相似，但是物理性質相差不少。
上圖為鋰的半徑，下圖為鈉的半徑。
來源：http://abulafia.mt.ic.ac.uk/shannon/ptable.php#opennewwindow
借用剛才解釋濃差電池時打的比方，既然離子要往洞裡鑽，它的尺寸就不能過大，否則不但離子遷移的動作遲緩，還增大了“進洞”難度，即便硬擠進去，往復多次，就很有可能導致“山洞塌方”，鋰離子電池業內稱之為“坍塌”或“崩塌”。
上表顯示，鈉離子的半徑比鋰離子大30%左右，如果套用鋰離子的電池結構，很容易使電池的循環性能大打折扣，運行幾十次之後可能就徹底報廢了。
另外，要談鈉離子電池套用鋰離子電池的結構，必須先找到便宜好用的電極材料等。沒有這個大前提，套用是不現實的。
鈉離子電池成本有優勢嗎？
業界普遍認為鈉離子電池的成本比較低，事實真的如此嗎？我們先來看一個表格。
數據來源：《化學學報》中《鈉離子電池：儲能電池的一種新選擇》一文。
上圖的表格標記的是2010年，美國市場上碳酸鋰和碳酸鈉的價格。表格顯示，鋰的比容量是鈉的3倍，價格則是鈉的30倍（不同文獻的參數略有不同，但數值的相對趨勢一致）。
同時，鈉的地殼儲量巨大（在所有元素中排第6位），受資源限制較小，因此，價格比較穩定。顯然，鈉的成本優勢遠超鋰 。
左圖為鈉離子電池常見的正極材料，右圖為常見的負極材料（橫座標為克容量，縱座標為標準電勢）
但是，事實遠比表格中的數據複雜。
在自然界中，鈉並不是獨立存在的，而是通常以鹽的形式呈現出來，最常見的是NaxMO2（M一般是鈷、鎳、鐵、錳、釩，或這幾種元素的混合）。因此，對電池成本影響最大的是材料中最貴（單價x含量）的元素，而不一定是價格較低的鈉。
同時，製造鈉離子電池的電極材料也都不是天然存在的，必須靠後期提煉、加工和合成。因此，加工成本也是影響鈉離子電池價格的重要因素。
目前，鋰離子電池的規模已經十分龐大。亞化諮詢的研究表明， 2017年，中國鋰離子電池產量約為88.7GWh。那麼，鈉離子電池是否能實現類似的規模化發展呢？
我認為，在可預見的時期內，很難。
第一，鈉離子電池沒有價格優勢。雖然鈉離子的成本低於鋰離子，但在短期內，鈉離子電池不太可能撼動已經形成規模的鋰離子電池，有限的市場需求不足以拉低鈉離子電池的價格。
第二，鈉離子電池的安全性較差。現階段，鈉離子電池比鋰離子電池的循環壽命短，因此故障率較高、安全係數也比較低。再加上其標稱容量過高，一旦發生事故，後果更加嚴重。
第三，鈉離子電池的回收難度大。如果鈉離子電池的材料成本低廉的假設成立，那麼，材料可回收殘值也很低，這樣一來，就無法形成自循環的商業模式，而必須由額外的成本來驅動。
鈉離子電池的電極材料塗層
當然，鈉離子電池的競爭力較弱，並不意味著我們要放棄研發。畢竟，新電化學體系的探索，是從0到1的突破，比在原體系去修正結構的意義更大。研究人員遵循科學的客觀規律，穩步推進，鈉離子電池也有希望獲得重大突破。
但是，如果忽視客觀規律，單純為追逐利潤，用商業化和資本化方式運作鈉離子電池系統，勢必對技術本身造成負擔。就像幼年的孩子被寄予過高期望，反倒會影響他未來的發展。
我倒希望，有企業家或有識之士，可以不計回報地為這項新技術投入研發資金，不急不躁，悉心照料，或許鈉離子電池會在不久的將來給我們帶來驚喜。（完）
《電動汽車觀察家》提供電動汽車行業的真實信息和誠懇意見，由電動汽車媒體界資深從業者邱鍇俊原創。邱鍇俊曾任第一電動網CEO和主編。更多電動汽車資訊，請點擊微-信右上角“+”，搜索公眾號“電動汽車觀察家”關注。
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