中国储能网讯：迄今，资源型化石燃料仍然是人类主要的电力供给源。其大量使用造成的碳排放是造成目前地球温室效应的主要原因，清洁能源的高效存储与利用是缓解当前全球所面临的能源危机和环境污染问题的有效途径。作为重要的解决手段之一，开发利用以太阳能和风能为代表的可再生能源发电已成为当务之急。然而，包括太阳能、风能、潮汐能等在内的这些自然能源是间歇性的，其产生的电能大小严重依赖于天气、季节、时间和地点等自然因素。这些不稳定的电能如果直接并入电网，会严重干扰电网的正常运行。大规模储能系统的采用可以有效地解决这个问题，依靠可再生的自然资源产生的间歇性能源可以通过储能系统的存储和释放接入电网，使用户端得到稳定、安全、高效的清洁能源。例如目前太阳能主要利用形式是通过光伏发电转化为电能，但光伏电池仅能实现太阳能转化为电能，不能实现电能的存储。如果能开发出一种新型低成本、高性能及环境友好的光电转化储能设备，使太阳能可充电电池不仅实现太阳能至电能的直接转化和存储，同时可解决便携电子产品或电动汽车充电时对电网的依赖，具有重大意义。同时，光电转化储能设备也是平衡各类能量应用需求，提升社会整体能量使用效率的有效手段，不但能够提高大规模及分布式可再生能源接入能力，还能提升城市微网电能质量，在各类备用电源和清洁交通能源领域有广阔的应用前景。

二次电池体系的局限性

为了开发出满足大规模储能应用的高安全、低成本、长寿命和大规模的储能技术，世界范围内的科学家进行了广泛而细致的研究。目前，主要应用的储能技术有电化学储能、机械储能、电磁储能和相变储能等，其中电化学储能技术与其他储能方式相比具有效率高、投资少、使用安全、应用灵活等特点，最符合当今能源的发展方向。在各种电化学储电方式中，二次电池使用与维护最为方便。然而目前成熟的二次电池体系，几乎都不适合大规模储能应用。传统的铅酸、镉镍电池含有大量有害的重金属元素,大规模应用会在生产和废弃阶段造成严重的环境污染，而且对环境温度要求严格，仅适用室内运行环境;镍氢电池采用了昂贵的稀有金属,资源与价格上难于满足大规模储电的成本要求。全钒液流电池除了采用了贵金属外，还有毒性和腐蚀性的问题；钠硫电池因为需要高温，液态硫和金属钠对氧化铝隔膜具强腐蚀性，容易造成燃烧事故。

有机系离子电池：锂离子还是钠离子

相比于上述的传统二次电池，有机系离子电池以离子在正负极的嵌入脱出和在二极间扩散作为充放电基本原理，具有能量密度高，倍率高和循环寿命长的特点。在性能上可以满足储能系统的技术要求。然而，由于其大量使用易燃的有机电解质，在生产和使用过程中会造成爆燃事故，有安全性问题缺陷。而水系离子电池由于采用中性的盐水溶液作为电解质，既避免了有机电解质的易燃问题，又克服了传统水系电池的高污染，短寿命（如铅酸电池）和价格昂贵（镍氢电池）的缺点，是能够满足大型储能技术要求的理想体系。因此，近年来，水系离子（锂、钠等）电池的研发越来越受到关注。

可是，实际上地球上的锂资源是难以支撑大型储能系统的应用需求的。全球锂资源基础储量（碳酸锂计）约为58M吨，而且大多数锂资源集中于海拔4000米以上高原盐湖，开发利用困难，现在已知的可开采储量约为25M吨。可是目前全球碳酸锂年消耗量约为7至8万吨，预计可开采时间不过50多年。以现有技术的锂离子电池计算：每KWh锂离子电池用锂量折合为碳酸锂约为1.4kg。而2011年全球累计风电装机容量240GW(KMW)，满足8小时储电就需要折合约1.5M吨的碳酸锂。更不用说日益增长的电动汽车对锂的需求。

另一方面，钠与锂的化学性能类似，因此被认为能够替代锂适用于锂离子电池体系。钠是地球上储量最丰富的资源之一，可以说是用之不竭。价格也显著降低，通常为锂盐的1/10。而且，传统的以有机溶剂为电解液的锂离子电池面临高成本，生产复杂，安全性等问题，使其在大规模储能领域存在瓶颈。与之相比，水系电解质有更快的离子迁移速率，更便宜，更安全，电池更容易制造以及可以使用更厚的电极等特点。综上所述，使用水系电解质的钠离子电池被认为是最有潜力的适合大规模储能系统的电池，成为最近业界研究工作的焦点。

水系钠离子电池基本原理

如上图所示，水系钠离子电池采用含有钠离子的水溶液作为电解质，正极由不同离子嵌入化合物组成。充电时，钠离子从正极脱出，并通过电解液扩散至负极，在负极发生吸附或嵌入反应，电子则由正极转移至负极。放电过程与充电过程相反。

钠离子的半电池电位(E0Na+/Na=E0Li+/Li+0.3)比锂离子电池高，适合采用分解电压更低的电解液，因而安全性能更佳。钠离子电池不以钠作为负极，而是由炭材料或嵌入化合物组成。

现行的钠离子电池大致分为二种类型：

1）电容负极/嵌入正极型非对称型电容电池

在这类电池中, 负极采用高比表面活性碳材料,反应原理为钠离子在表面的吸附/脱附反应；正极则采用高电势嵌钠化合物, 反应过程为钠离子的嵌入脱出机理。因此, 这类电池又称为混合型水系钠离子电容电池。此类设计虽然使得电池的能量密度较低, 但也规避了选择合适储钠负极材料的问题,结构简单，易于制造，是产业化的一种选择方案。

2）嵌入负极/嵌入正极钠离子电池

此类电池就是与有机系锂/钠离子电池相似的“摇椅式”水系钠离子电池。正极仍然采用高电势的嵌钠化合物，反应过程是钠离子的嵌入脱出机理。而负极则选取低电势的嵌钠化合物，反应过程也是钠离子的嵌入脱出机理。与1）相比，此类电池具有较高的能量密度和电池电压，更适合储能系统的要求。然而，由于存在水电解的副反应，电池的循环性能稳定性是挑战。

水系钠离子电池研究突破

近日，日本国立产业技术综合研究所（AIST）首席研究员、筑波大学和南京大学兼职教授周豪慎，AIST博士后李娜和筑波大学博士研究生李琪等，首次将二氧化钛（TiO2）光电极嵌入到新型钠离子电池的正极，实现了太阳能的高效转化和存储。该光辅助可充电钠离子电池利用水系的Na2S4 阳极电解液和NaI阴极电解液分别作为电池的负极及正极的活性物质，并且将TiO2光电极嵌入正极电解液中作为太阳能转化及存储基元。当电池在模拟太阳光照下充电时，TiO2光电极受光激发产生电子和空穴。跃迁到导带的电子通过外电路传到电池的负极可使Na2S4还原为Na2S，同时留在价带的空穴氧化NaI为NaI3。而该电池的放电过程与传统钠离子电池的相似，在电池的负极和正极可分别通过Na2S/Na2S4氧化及NaI3/NaI还原转化达到化学能到电能的转变。由于光电势的补偿，电池的充电电位平台降为0.08 V。超低的充电电势平台明显低于放电电势平台，致使电池的能量转换效率高达190%，相当于节省了近90%的输入电能。该项研究成果为开发低成本、高安全性能光电转化存储设备提供了新的思路，同时推动了光充电电池的实际应用。相关结果已在线发表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600632)。

产业化应用现状与挑战

据海外媒体报道，丰田新开发的钠离子技术可有效提升电动车的续航里程——最大可达到惊人的1000公里(620英里)，而且价位更低。丰田的新电池使用了一个钠基化合物作为正极的钠离子电池，电池产生的电压高出锂离子电池30%。维基百科指出钠是地壳中丰富度排第六的元素，世界上盐的一半是由钠元素组成，因此钠离子电池的原材料可谓异常充裕。

Faradion创始人迪克西在接受采访时曾表示，锂电池的生产流水线完全可以用来制作钠电池，不需要很大改动。“一些车企已向我们表达了意向，因为钠电池的成本比锂电池低不少。”据报道，由于材料更为充足，用钠代替锂每千瓦时能够减少大约30%的成本。这项工程是与Williams Advanced Engineering（威廉姆斯先进工程公司）——Williams Formula One team（威廉姆斯一级方程式车队）的一个分支——合作进行，该车队还向电动方程式锦标赛提供电池。

水系钠离子电池研发和产业化时间都很短，技术层面还存在很多难题有待攻克。其主要问题有一下几点：

1.水是最常见的液体，同时也是常见液体中极性最强的。在水溶液中循环使用的电池，必须克服电极材料在水溶液中的溶解以及盐溶液对电极的长期（10-20年）持续不断的缓慢腐蚀。解决这一问题的途径不一，可以是开发新型的耐腐材料，亦可以是从电池设计的角度考虑，加强电极的成型后的强度以抗抵水溶液的侵蚀；

2.由于水的理论电解电压只有1.23V，因此极大地限制了水系钠离子电池的质量比能量。目前见报的这类产品质量比能量均不超过25wh/kg，比铅酸蓄电池还低。在电解液的分解电压不变的前提下，只能通过寻找或创造出更高比容量的正负极材料，才能提升整个电池的质量比能量；

3.水系钠离子电池是一种全新的电池体系，其电极的成型，集流体的选择，电解液功能添加剂的开发等等一系列的工艺技术难题还需要不断地被攻克，电池性能仍有很大的提升空间。