鋰離子電池(LIB)與鈉離子電池(SIB)對(duì)比有哪些優(yōu)勢(shì)

鋰離子電池：鋰離子電池是一種二次電池(充電電池)，通過鋰離子在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)充放電。在充電過程中，鋰離子從正極材料中脫出，通過電解質(zhì)嵌入到負(fù)極材料中;放電時(shí)則相反。這種機(jī)制使得鋰離子電池具有高能量密度和長(zhǎng)循環(huán)壽命。

鈉離子電池：鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池相似，但其電荷載體是鈉離子而非鋰離子。鈉離子在正負(fù)極之間的嵌入和脫出過程同樣實(shí)現(xiàn)了電池的充放電。盡管鈉離子的半徑大于鋰離子，導(dǎo)致其在電極中的嵌入/脫嵌阻力較大，但鈉鹽原材料的豐富性和低成本使得鈉離子電池具有獨(dú)特的發(fā)展?jié)摿Α?

鈉離子電池能量密度較低，在電池制作的過程中需要更多的輔材和制造成本。這也意味著，目前來看，較之鋰離子電池，鈉離子電池并沒有太大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。鈉電池想要更具成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，就必須發(fā)展高能量密度和低價(jià)格輔材的鈉離子電池體系，進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。

前段時(shí)間，寧德時(shí)代召開股東大會(huì)，董事長(zhǎng)曾毓群透露，寧德時(shí)代將于今年7月份發(fā)布鈉電池。此消息一出，鈉電池便被推上了市場(chǎng)的風(fēng)口浪尖。短短幾天時(shí)間，鈉離子電池概念股異軍突起，多股漲停。

隨即，鈉離子電池能否替代鋰離子電池的問題也引發(fā)大量討論。鈉離子電池并非全新的電池技術(shù)，二十世紀(jì)七十年代末，鈉離子電池與鋰離子電池幾乎同時(shí)展開研究，然而命運(yùn)卻大相徑庭。鋰離子電池發(fā)展迅速，在市場(chǎng)中取得一席之地，而鈉離子電池的發(fā)展卻始終停滯不前，直到現(xiàn)在仍處于產(chǎn)業(yè)化初期。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，鋰在地殼中的豐度僅有17ppm(百萬分之一)，且分布極不均勻。根據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)顯示，2019年全球已查明的鋰資源量約為8000萬噸，儲(chǔ)量約為1700萬噸，主要集中在智利、阿根廷和玻利維亞等地。

南開大學(xué)陳軍院士也曾表示：“鋰豐度低，資源分布不均勻，約70%集中在南美洲，我國(guó)80%的鋰資源依賴進(jìn)口，引發(fā)了人們對(duì)鋰儲(chǔ)量的普遍擔(dān)憂。另外，鋰離子電池的安全隱患也難以滿足大規(guī)模儲(chǔ)能的應(yīng)用需求。”

圖：全球鋰資源分布

隨著新能源汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，鋰電池的需求量不斷增大，鋰資源面臨著前所未有的緊張局面。因此，尋找替代鋰電池的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)勢(shì)在必行。同為堿金屬的鈉，在地殼中儲(chǔ)量高達(dá)2.36%，資源豐富，且成本低廉，具備大規(guī)模應(yīng)用的發(fā)展?jié)摿?。鈉離子電池“重出江湖”，受到多方關(guān)注和重視，成為儲(chǔ)能市場(chǎng)新的風(fēng)口。

圖：地殼中部分化學(xué)元素豐度 [3]

圖：用于電池的元素資源

如前所述，鈉離子電池最大的優(yōu)勢(shì)，就是鈉資源儲(chǔ)量豐富，這也讓鈉離子電池相較于鋰離子電池在成本上更具優(yōu)勢(shì)。然而，在化學(xué)元素周期表中，鋰在第二周期，鈉在第三周期。從物理化學(xué)性質(zhì)來看，鈉離子質(zhì)量和半徑更大，較之鋰離子更活潑。

因此，鈉離子電池能量密度較低，在電池制作的過程中需要更多的輔材和制造成本。據(jù)研究估算顯示，鈉離子電池所需輔材和制造成本占總成本75%。寧德時(shí)代董事長(zhǎng)曾毓群也表示，該公司新推出的鈉電池可能比鋰電池更貴。這也意味著，目前來看，較之鋰離子電池，鈉離子電池并沒有太大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。鈉電池想要更具成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，就必須發(fā)展高能量密度和低價(jià)格輔材的鈉離子電池體系，進(jìn)一步降低鈉電池生產(chǎn)成本。

圖：鋰離子電池(LIB)與鈉離子電池(SIB)成本對(duì)比 [2]

在工作原理上，鈉離子電池與鋰離子電池極具相似性。鈉離子電池充電過程中，正極材料發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，同時(shí)鈉離子從正極脫嵌。電子補(bǔ)償電荷通過外電路到達(dá)負(fù)極，鈉離子也通過電解液遷移至負(fù)極。放電時(shí)則相反。

圖：鈉離子電池工作原理 [3]

鈉離子電池主要由正極、負(fù)極和電解液組成，正負(fù)極材料是電池的核心。正負(fù)極材料的比容量和電位差決定了電池的比能量，電極材料結(jié)構(gòu)和電解液電化學(xué)性能的穩(wěn)定性也影響著電池的循環(huán)壽命。電池正負(fù)極材料的選擇和研究對(duì)提升鈉離子電池比能量、循環(huán)壽命和倍率性能至關(guān)重要。

圖：鈉離子電池正、負(fù)極材料的比容量和電壓

正極材料

金屬氧化物成本低、合成工藝簡(jiǎn)單，包括P2層狀氧化物、O3層狀氧化物和三維隧道型氧化物;

聚陰離子類材料結(jié)構(gòu)框架穩(wěn)定、比容量適中、工作電壓高;

普魯士藍(lán)材料的隧道結(jié)構(gòu)較大，有利于鈉離子充放電脫嵌。

負(fù)極材料

肽基層狀氧化物具有良好的循環(huán)性能和倍率性能;

碳材料成本低、合成簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，且原料豐富;

圖：鈉離子電池系統(tǒng)

鈉離子電池的性能跟其電極材料的電化學(xué)性能息息相關(guān)，然而早期被設(shè)計(jì)開發(fā)出來的電極材料性能不理想，這也是鈉離子電池發(fā)展緩慢遲滯的原因之一。

鈉離子電池儲(chǔ)量豐富，一旦工藝成熟，必然意味著成本的降低。其次，鈉離子電池安全性高，過充、過放、短路、針刺、擠壓等安全測(cè)試均能順利通過，不易起火和爆炸。雖然鈉電池兼具上述優(yōu)勢(shì)，但其能量密度也明顯低于磷酸鐵鋰電池與三元電池，無法適用于新能源汽車領(lǐng)域。隨著新能源汽車市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，動(dòng)力電池的需求量日益增加，鋰電池仍然會(huì)是市場(chǎng)的首選。

能量密度：鋰離子電池>鈉離子電池

鋰離子電池具有更高的能量密度。鋰元素是最輕的金屬元素之一，因此鋰離子電池在相同體積或質(zhì)量下能存儲(chǔ)更多的能量。相比之下，鈉離子電池的能量密度較低，這主要是由于鈉離子的半徑較大，導(dǎo)致在電極中的嵌入/脫嵌效率較低。同時(shí)目前主流鈉離子電池正極材料的充放電電壓低于鋰離子電池材料，進(jìn)一步導(dǎo)致了能量密度的降低。

循環(huán)壽命：鋰離子電池≈鈉離子電池

鋰離子電池充放電循環(huán)壽命最高可達(dá)2000-3000次以上。而鈉離子電池由于鈉離子在電極中的可逆性較差等原因，前期循環(huán)壽命比較低，但近年來隨著材料包覆、表面改性等技術(shù)的進(jìn)步，鈉離子電池循環(huán)壽命已經(jīng)得到明顯的提高。

安全性：鋰離子電池<鈉離子電池

鈉離子電池在安全性方面表現(xiàn)出色。它具有超寬的工作溫度區(qū)間(-40℃至80℃)，即使在高溫下也不容易發(fā)生熱失控。此外，鈉離子電池的短路電流和瞬間發(fā)熱量較小，更不容易引起火災(zāi)或自燃。相比之下，鋰離子電池在高溫或?yàn)E用條件下存在一定的安全隱患。

成本：鋰離子電池<鈉離子電池

鈉離子電池的原材料資源儲(chǔ)備豐富且價(jià)格低廉。鈉鹽作為地球上的常見元素之一，其成本遠(yuǎn)低于鋰資源。因此，鈉離子電池在制造成本上具有顯著優(yōu)勢(shì)。然而，由于目前鋰離子電池的技術(shù)相對(duì)成熟且市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，其規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)使得成本也在逐漸降低。

發(fā)展前景：鋰離子電池=鈉離子電池

鋰離子電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、新能源汽車等領(lǐng)域，并占據(jù)了較大的市場(chǎng)份額。然而，隨著鋰資源的日益枯竭和成本上升的問題日益凸顯，鋰離子電池面臨著發(fā)展瓶頸。相比之下，鈉離子電池作為新興的儲(chǔ)能技術(shù)，具有更高的安全性、更低的成本和更大的發(fā)展空間。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)，鈉離子電池有望在未來成為鋰離子電池的有力競(jìng)爭(zhēng)者。