1.為適應(yīng)可再生能源某時(shí)段內(nèi)大量產(chǎn)生的特點(diǎn)，儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)具有大能量密度和低自放電；

2.為適應(yīng)可再生能源瞬時(shí)產(chǎn)生的特點(diǎn)，要求儲(chǔ)能設(shè)備具有大倍率充放電的能力；

3.具備大的溫度范圍下工作的能力，對(duì)工況要求低；

4.設(shè)計(jì)大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)備需要考慮到廢棄成本，不應(yīng)在產(chǎn)品廢棄時(shí)產(chǎn)生更多花費(fèi)。

 

目前考慮用于ESS的儲(chǔ)能體系有鉛酸電池，鋰離子電池和鈉離子電池；鉛酸電池成本低，但是能量密度太低會(huì)制約它的應(yīng)用；鋰離子電池能量密度高，但考慮到地球的鋰儲(chǔ)量和成本，必須有相應(yīng)的鋰資源回收利用系統(tǒng)支持。其他儲(chǔ)能體系如超級(jí)電容器，功率足夠大，但是能量密度低而且自放電快；要采用液流電池的話，其整體的能量密度還需要在進(jìn)一步提高。鈉離子電池中的鈉儲(chǔ)量豐富價(jià)格低廉，原料易得，早在1980年NGK公司已經(jīng)成功的在世界200多個(gè)地區(qū)應(yīng)用高溫鈉硫電池（HT-NSB），總設(shè)計(jì)能量達(dá)到3700MWh。但需要300°C的工作環(huán)境來保持電解質(zhì)流動(dòng)性，帶來了安全隱患和腐蝕的問題。2011年NGK公司的安全事故，打擊了人們對(duì)高溫鈉硫電池的熱情，當(dāng)然也讓室溫鈉離子電池又一次進(jìn)入大眾的視野。

 

【成果簡(jiǎn)介】

 

近日，浙江大學(xué)梁成都，凌敏，中南大學(xué)鄭俊超（共同通訊）在Energy Environ. Sci.上發(fā)表綜述，題為Exploring competitive features of stationary sodium ion batteries for electrochemical energy storage（作者Tiefeng Liua,c, Yaping Zhang等），文章介紹大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的規(guī)模和需求特點(diǎn)，并詳細(xì)的討論了鈉離子電池適用于大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的原因，總結(jié)了鈉離子電池相關(guān)材料的研究進(jìn)展。就算沒錢搞儲(chǔ)能，一文入門鈉離子電池也是絕對(duì)值得一看。

 

【研究亮點(diǎn)】

 

本文總結(jié)了幾個(gè)關(guān)鍵因素，告訴你為什么大規(guī)模儲(chǔ)能選鈉電？

1.低廉的資源-前驅(qū)體材料價(jià)廉易得，滿足對(duì)規(guī)模供給和低價(jià)的需求；

2.高的倍率性能-能夠適應(yīng)響應(yīng)型儲(chǔ)能和規(guī)模供電；

3.工況要求低-能夠滿足所有氣候條件下應(yīng)用，不完全依賴溫度調(diào)節(jié)設(shè)備；

4.可回收-避免環(huán)境污染和資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)回收再利用的閉環(huán)。

下面將分這四大板塊進(jìn)行詳細(xì)論述。

 

鈉離子電池優(yōu)勢(shì)一：性價(jià)比高

 

這年頭搞儲(chǔ)能設(shè)備，規(guī)模一大就發(fā)愁，錢從哪來？因此性價(jià)比高的鈉電就變成了香餑餑，圖2展示了電池成本的主要來源和比例，說明電池多少錢主要取決于選擇的電極材料、有機(jī)電解液和隔膜，鈉離子電池的配件相應(yīng)的比鋰離子電池要便宜，另外鈉的化合物可以作為電極材料，這也是降成本的一個(gè)主要方向。

 

鈉源廣泛：鈉鹽，比如NaCl\Na2CO3,Na2SO4,都可以從海水和礦物中得到，遍地都是所以比鋰便宜多了。另外，以11.5KWh為例，如果用LiMn2O4正極配石墨負(fù)極用于鋰離子電池，成本為$1022美元，其中鋰大約占~4.3%，如果相應(yīng)的采用錳基正極，鈉只要$4.57美元，足足省了$38.95美元，也就是說如果把鋰電換成鈉電，光正極成本就能降約~4%。同樣的道理，電解質(zhì)鹽也能降1%左右。

 

過渡金屬：過渡金屬元素是電極材料的關(guān)鍵，相對(duì)來說Fe\V \Mn是便宜的，但是因?yàn)殇囯x子（0.76A）和鐵離子（III）（0.645A）的半徑比較接近，在層狀LiFeO2中容易發(fā)生混排，所以鋰離子電池正極適合選擇磷酸鹽材料，相應(yīng)的制備成本會(huì)高一些。對(duì)于鈉離子（1.02A）來說，就沒這個(gè)問題。NaFeO2的O3相層狀氧化物做鈉電電極，利用Fe3+/Fe4+氧化還原點(diǎn)對(duì)反應(yīng)，容量達(dá)到85mAh/g，類似的 Na0.44MnO2，P2-Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2，P2-Na7/9Cu2/9Fe1/9Mn2/3O2也具有非常好的電化學(xué)性能。因此，F(xiàn)e/Mn/V 基電極材料能夠進(jìn)一步降低鈉離子電池的成本，圖3是一些過渡金屬的電化學(xué)性能舉例。

 

 

圖3  (a) Na/α-NaFeO2 電池的初始充放電曲線；(b) Na/Na2/3[Fe1/2Mn1/2]O2 電池的倍率性能；(c) Na7/9Cu2/9Fe1/9Mn2/3O2 電極在 0.1 C下的充放電曲線；(d) Na3V2 (PO4) 2O2F3 納米復(fù)合材料在 2.0-4.3 V 之間，電流密度64 mA/g下的充放電曲線；(e) Na4MnV (PO4) 3在 2.5-4.3 V 之間的首次充放電曲線；(f) 不同材料的計(jì)算電壓（ Na 電壓/Li 電壓）

 

有機(jī)源材料：與無機(jī)材料相比，有機(jī)材料作為鈉離子電池電極材料有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：1.相比于無機(jī)材料，有機(jī)材料具有可持續(xù)性，對(duì)環(huán)境友好，通過天然材料由簡(jiǎn)單的化學(xué)/熱處理就可以制得，取材廣泛，原料易得，可以大批量制備。2.天然的有機(jī)原料含有豐富的C、H、O、N、S元素，不需要在做改性處理；3.有機(jī)的材料能夠和導(dǎo)電碳材料通過共軛作用，形成鍵合提升倍率性能并降低化合物溶解性從而延長(zhǎng)使用壽命。

 

低成本輔材選擇策略：鈉離子電池中的集流體和隔膜相較于鋰離子電池價(jià)格更低。價(jià)格更高的傳統(tǒng)鋰離子電池PP隔膜對(duì)于鈉離子來說不適用了，而用于鈉離子電池的玻纖隔膜則具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。另外，鋁和鈉不會(huì)形成合金，因此可以用鋁箔取代銅箔作為負(fù)極集流體。