能源問(wèn)題

 

能源是支撐整個(gè)人類文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)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(huì)提供主要的能源。化石能源的消費(fèi)不僅使其日趨枯竭，且對(duì)環(huán)境影響顯著。因此，改變現(xiàn)有不合理的能源結(jié)構(gòu)已成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展面臨的首要問(wèn)題

 

目前，大力發(fā)展的風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能、地?zé)崮艿染鶎儆诳稍偕鍧嵞茉矗捎谄潆S機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，如果將其所產(chǎn)生的電能直接輸入電網(wǎng)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大的沖擊。在這種形勢(shì)下，發(fā)展高效便捷的儲(chǔ)能技術(shù)以滿足人類的能源需求成為世界范圍內(nèi)研究熱點(diǎn)。

 

鋰離子電池

 

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

 

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

 

鈉離子電池

 

相比鋰資源而言，鈉儲(chǔ)量十分豐富，約占地殼儲(chǔ)量的2.64%，且分布廣泛、提煉簡(jiǎn)單。同時(shí)，鈉和鋰在元素周期表的同一主族，具有相似的物理化學(xué)性質(zhì)，其基本的性質(zhì)對(duì)比見(jiàn)表1。

 

表1 金屬鈉與金屬鋰基本性質(zhì)對(duì)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(fù)極之間嵌脫過(guò)程實(shí)現(xiàn)充放電。
 

 

充電時(shí)，Na＋從正極脫出經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，同時(shí)電子的補(bǔ)償電荷經(jīng)外電路供給到負(fù)極，保證正負(fù)極電荷平衡。放電時(shí)則相反，Na＋從負(fù)極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入正極。

 

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

 

鈉離子電池優(yōu)勢(shì)

 

與鋰離子電池相比，鈉離子電池具有的優(yōu)勢(shì)：

 

1.鈉鹽原材料儲(chǔ)量豐富，價(jià)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(dǎo)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(fù)極可采用鋁箔作為集流體，可以進(jìn)一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；

 

4.由于鈉離子電池?zé)o過(guò)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(shì)明顯，有望在大規(guī)模儲(chǔ)能中取代傳統(tǒng)鉛酸電池。

 

鈉離子電池存在的問(wèn)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(yīng)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(shí)尋找在循環(huán)過(guò)程中體積變化小的負(fù)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(yīng)用到大規(guī)模儲(chǔ)能的關(guān)鍵；

 

2.目前對(duì)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(duì)電極材料的改性研究較少。尋找更簡(jiǎn)單高效的合成方法，同時(shí)對(duì)性能較好的材料進(jìn)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(wèn)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(wèn)題。因此，大力開(kāi)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(zhì)是緩解鈉離子電池安全問(wèn)題的重要方向。

 

此外，鈉離子的液態(tài)記憶這項(xiàng)難題現(xiàn)在也被攻克。（液態(tài)記憶：將液體形狀改變，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，自身會(huì)恢復(fù)到之前的狀態(tài)。）

 

隨著鈉離子電池研究的深入，將會(huì)開(kāi)發(fā)出新的材料，電池的容量和電壓將會(huì)進(jìn)一步得到提升。鈉離子較低的成本，使得鈉離子電池有望應(yīng)用在智能電網(wǎng)或可再生能源的大規(guī)模儲(chǔ)能中。