钠离子电池
依靠钠离子在正负极间移动的二次电池
钠离子电池（Sodium-Ion Battery，SIB）是一种（充电电池），其工作原理与相似，主要依靠钠离子在正负极之间移动来完成充放电过程。钠离子电池使用钠离子作为电荷载体，与锂离子电池以锂离子为电荷载体相比，钠和锂属于同一主族元素，具有相似的“摇椅式”电化学充放电行为。这种电池结构上与锂离子电池具有高度一致性，都是摇椅式电池。
钠离子电池的发展可以追溯到上世纪70年代，但一度因技术成熟度问题而发展缓慢。近年来，随着电化学储能的快速发展，钠离子电池的成本优势和安全特性使其重新获得关注。特别是随着锂离子电池核心原材料价格的飞涨，钠离子电池因其成本较低且原料丰富而成为潜在的替代选择。钠元素的约为2.6%，远高于锂的0.0065%，这使得钠离子电池在大规模应用中更具优势。
钠离子电池在充放电过程中，钠离子在正负极之间往返嵌入和脱出：充电时，钠离子从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极；放电时则相反。这种电池的循环寿命通常为2000至4500次，充放电效率为80%至95%，并且可以在-40℃至80℃的温度区间正常工作。此外，钠离子电池还具有成本低、安全性高以及快充等优点。
历史发展
钠离子电池的研究始于20世纪60年代，最初以高温和钠/氯化镍电池（Zebra电池）为代表。这些早期电池由于运行温度过高（300℃）和材料稳定性问题，难以实现商业化。1979年，法国Armand提出“摇椅电池”概念后，由于锂离子电池体系中应用较为广泛的负极储钠能力欠缺，对钠离子电池的研究几乎停滞。
20世纪90年代末，层状过渡金属氧化物应用于室温可逆储钠正极材料，使钠离子电池重新受到关注。2000年，Stevens和Dahn将硬碳用作钠离子电池负极，材料可逆循环比容量达到300 mA·h·g⁻¹，这一成果几乎接近当时锂离子电池中石墨负极的可逆比容量。同年，Okada团队对NaFeO₂的研究发现其具有电化学活性，这一发现与锂离子电池中的发现具有同等重要意义。
2010年后，随着全球能源结构的调整，钠离子电池的应用前景愈发广阔。特别是在我国，政府大力推动新能源产业的发展，钠离子电池因其成本优势，成为储能领域的理想选择。在电动汽车、电网储能、便携式电子设备等领域，钠离子电池都展现出巨大的应用潜力。为了满足市场对钠离子电池的需求，国内外众多企业和研究机构加大了研发投入，推动了钠离子电池技术的快速进步。
2021年7月，发布第一代钠离子电池，宣布计划于2023年形成基本产业链。碳酸锂价格的上涨进一步加速了钠离子电池产业化进程。据预测，到2025年，钠离子电池在A00级电动车、电动两轮车和储能领域的需求将达到约441GWh。
工作原理
钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似，主要依靠钠离子在正负极之间的移动来实现能量的储存和释放。在充电过程中，钠离子从正极脱嵌，通过电解质移动到负极，并嵌入负极活性材料晶格中。此过程伴随着电子的转移，以确保电荷平衡，正极电势升高，负极电势降低。放电时，过程相反，钠离子从负极脱出，重新移动到正极表面并嵌入，正极电势降低，负极电势升高，电子则在外部电路中流动，形成电流，为用电器提供电力。
钠离子电池的充放电过程可以用下面的化学反应式来表示：
充电：NaMO₂ - xNa⁺ - xe⁻ → NaₓMO₂
放电：NaₓMO₂ + xNa⁺ + xe⁻ → NaMO₂
其中，NaMO₂代表正极材料，xNa⁺和xe⁻分别代表脱嵌的钠离子和电子，NaₓMO₂为放电后的化合物。
材料体系
正极材料
层状金属氧化物是钠离子电池的主流正极材料之一，其结构可分为隧道型和层状两种类型。隧道型氧化物以Na0.44MnO2为代表，具有稳定的结构和循环性能，但存在钠含量过低导致可逆比容量较低的问题。层状氧化物则包括P2、P3和O3等类型，其中P2型材料通过元素掺杂和结构优化，可实现首圈比容量达190mAh/g。
聚阴离子化合物以橄榄石型NaFePO4和NASICON型Na3V2(PO4)3为代表，具有高循环寿命和宽电压平台，但存在合成成本高和V元素毒性问题。2025年底，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所赵邦传团队通过“键结构调控+界面修饰”的多尺度协同改性策略，开发出新型NASICON型磷酸钒锰钠正极材料Na3.91MnV0.97Mo0.03(PO4)3@Al2O3（NMVMP@Al2O3）。该材料在0.1C倍率下初始放电容量达99.3 mAh g⁻¹，且在10C高倍率下循环3000次后容量保持率仍高达84.5%，充放电体积变化仅3.66%，展现出极高的结构稳定性与循环性能。此工作为聚阴离子型正极的实际应用奠定了坚实基础，并为其他电极材料设计提供新思路。类化合物如FeHCF和MnHCF，具有成本低、理论容量高（140mAh/g）、结构稳定等优点，但存在氰基毒性及合成工艺问题。
负极材料
硬碳材料具有高可逆比容量（可达350mAh/g）、低电压等优点，但存在制备成本高和产碳率较低的问题。软碳材料具有导电性好、速率性能优、循环稳定性好等特点，但储钠容量相对较低。合金类材料如Sn、Sb具有理论容量高（分别可达660mAh/g）的优点，但存在体积膨胀严重（>300%）和循环寿命短的问题。
电解液
钠离子电池的可分为液态电解质和固态电解质。液态电解质以有机液体电解质为主，溶剂由高介电常数的碳酸酯类和低粘度的醚类混合而成，溶质则为大半径阴离子的钠盐（如六氟磷酸钠）。固态电解质包括氧化物（如Na-β-Al2O3）、硫化物（如Na3PS4）和聚合物等，具有高安全性（无泄漏、不燃）和宽温区适应性，但存在室温离子电导率低的问题。
隔膜与外壳
钠离子电池的隔膜与锂离子电池类似，采用多孔隔膜和铝箔集流体。铝箔作为集流体材料具有成本优势，且钠离子电池的正负极均可以使用铝箔集流体，进一步降低电池成本。
技术优势
钠离子电池在技术上具有多项显著优势，主要体现在资源丰富、成本低廉、安全性高、高低温性能优异、快充性能以及环境友好等方面。
首先，钠资源的地壳丰度约为2.64%，是锂的440倍，且在全球范围内分布广泛，提炼过程简单。相较于锂离子电池，钠离子电池的主要原料成本更为低廉。由于钠盐的特性，钠离子电池允许使用低浓度电解液，进一步降低成本。此外，钠离子电池的正极材料采用铁锰镍基，相比锂离子电池，原料成本降低约50%。
在安全性方面，钠离子电池表现出色。其半电池电势比锂离子高0.3-0.4V，因此可以使用分解电压更低的电解液，这提高了电池的安全性能。钠离子电池在过充、过放、短路、针刺等测试中均不会爆炸或燃烧，具有极高的安全性。此外，钠电池的内阻较高，在短路情况下发热量较少，温升较低，热失控温度高于锂电池。
钠离子电池具有优异的高低温性能，能够在-40℃至80℃的温度范围内正常工作。在-20℃的低温环境下，容量保持率仍接近90%。这种宽温性能使得钠离子电池特别适用于气候条件恶劣的地区。
在快充性能方面，钠离子电池支持高倍率充电，例如在15分钟内可充电80%，这使其非常适合用于需要快速补电的场合。此外，钠离子电池的充电速度比锂离子电池更快。
最后，钠离子电池对环境友好，不含钴、镍等稀缺金属，且其生产材料和回收过程简单，无污染。钠离子电池的电解液和电极材料可回收利用，对环境的影响较小。
存在风险
钠离子电池在安全性方面面临的主要风险源于其使用的液体电解质。大多数钠离子电池含有液体电解质，这种电解质存在易燃性风险，在热滥用、电滥用或机械滥用的条件下，容易引发热失控，导致燃烧甚至爆炸等严重安全事故。例如，的研究表明，钠离子电池在硬碳负极中存在的钠簇在的电子活跃度超过金属钠本身，形成堪比微型核反应的“电子风暴”，当电池荷电状态突破临界值，这些钠簇便化身“定时炸弹”，可使自放热起始温度提前至92℃，比锂电池更早触发热失控链式反应。
此外，钠离子电池的正极材料在空气中稳定性较差，特别是潮湿的空气中，这会增加生产、存储和使用成本。
应用领域
钠离子电池在领域具有显著应用潜力，其高能量密度和快速充电特性使其成为电动两轮车和低速四轮车的理想动力源。在电动两轮车市场，钠离子电池凭借其安全性高、寿命长、成本较低等优点，已在中低速电动两轮车中得到广泛应用。此外，钠离子电池在电动工具领域也展现出广阔的应用前景，如电钻、割草机等便携式电动工具，可有效提升工具的使用效率和续航能力。
在储能系统领域，钠离子电池凭借其高能量密度和低成本优势，在家庭/工业储能、基站和备用电源中得到广泛应用。其长寿命和高安全性使其成为接入电网及分布式储能等大规模储能领域的重要选择。2024年10月，中国首个大容量钠离子电池储能电站——广西南宁伏林钠离子电池储能电站二期扩容工程正式投运，总规模达50兆瓦时，年充放电可达600次，每年新增消纳风光电量约3000万千瓦时，相当于满足约2万户家庭一年用电需求。该电站依托国家重点研发计划项目，填补了钠离子电池在材料、集成与安全防控技术方面的空白，标志着钠离子电池在大规模储能领域的商业化应用迈出关键一步。随着新能源的不断发展，钠离子电池在储存太阳能和风能等可再生能源方面发挥着关键作用，有助于电力系统的稳定性和可靠性的提升。
在航空航天领域，钠离子电池凭借其高能量密度和轻量化优势，成为、和航天飞行器等航空航天器的理想电源选择。与锂离子电池相比，钠离子电池具有更高的离子传输速率和更高的高温稳定性，这些特性使其在极端环境下的应用更具优势。此外，钠离子电池在智能家居、智能手机、笔记本电脑等消费电子产品中也有广泛应用，为这些设备提供了持久稳定的电源支持。
未来趋势
材料创新：在钠离子电池技术中，正极材料的研发是提升电池性能的关键之一。层状氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物三大技术路线在能量密度、循环寿命和物料成本等方面各具优势。其中，层状过渡金属氧化物在综合性能上表现突出，已实现产业化应用；聚阴离子化合物以其高稳定性特点和长的理论循环寿命，在低速车辆和储能领域展现出广阔的应用前景；普鲁士蓝类化合物尽管存在制备结晶化和循环寿命等问题，但通过技术优化，有望在能量密度和成本方面实现突破。此外，钠硫电池作为一种特殊类型的钠离子电池，以其高能量密度和长循环寿命的特点，在电网级储能及短途交通运输领域已实现对锂离子电池的替代，并占据全球钠离子电池市场的主要收入份额。
技术进步：钠离子电池技术在快充技术方面取得显著进展。优化电解液和电极结构有助于实现更高倍率的充电能力。例如，宁德时代开发的二代钠电池在能量密度方面较一代产品提升了40 Wh/kg，达到200 Wh/kg。此外，通过改进电池设计和生产工艺，钠离子电池的充放电效率和安全性能有望进一步提高。
成本控制：钠离子电池的成本控制主要通过规模化生产来实现。产业链上游的正负极材料、电解液等关键材料，以及中游的电池研发与生产环节，是成本控制的关键领域。规模化生产有助于降低材料采购成本，并优化生产流程，提高生产效率，从而在保证质量的同时降低产品价格。预计到2025年底，我国钠离子电池专用量产线产能将达到275.8 GWh。
市场拓展：钠离子电池在低速电动车、两轮电动车、家庭/工业储能、5G通信基站、电动船舶等细分领域对铅酸电池和锂离子电池形成替代，市场前景广阔。例如，钠离子电池在电动两轮车领域的应用已经显示出显著的市场渗透率提升趋势。
研究机构
中科院物理所
团队在钠离子电池研发领域取得了一系列重要突破。该团队开发出低成本铜基正极材料、煤基碳负极材料以及低盐浓度电解液，相关核心专利获得中国、美国、日本及欧盟授权。2017年，团队建成百吨级正、负极材料中试线，并研制出能量密度为150 Wh/kg、循环寿命达4500周的钠离子电池。
宁德时代
2021年7月29日，宁德时代正式推出钠离子电池。宁德时代称，第一代钠离子电池的能量密度略低于目前的，但在低温性能和快充方面具有明显优势，特别是在高寒地区高功率应用场景。
法国国家科学研究中心
2015年11月30日，的研究团队首次开发出业界标准的规格钠离子电池。
2025年，北航王华团队采用磷-硫（P-S）界面化学策略，成功研发出支持3C快充的安时级钠离子软包电池。通过构建富含Na3PO4和Na2SO4的固体电解质界面（SEI），显著降低Na+去溶剂化能垒并提升离子迁移速率，实现O3-Na(Ni1/3Fe1/3Mn1/3)O2||HC软包电池在126 Wh/kg能量密度下3C快充，200次循环后容量保持率达91.5%。该成果发表于Angewandte Chemie International Edition，标志着钠离子电池在快充技术领域取得重大突破。
参考来源
- [1]新型储能技术与产业发展研究夸克文档
- [2]钠离子电池火了，来深度研究下知乎专栏
- [3]未来热点电池技术研究情况解析中国粉体工业2015-01-01
- [4]中国首个大容量钠离子储能电站扩容工程投运中新经纬2026-01-12
- [5]万龙精益导控Feli系列电池超声波检测系统助力钠离子电池产业升级千龙网2026-01-12
- [6]我国科研团队在高性能钠离子电池正极材料研发获重要进展界面2026-01-18
- [7]科学家在高性能钠离子电池正极材料研发方面取得新进展搜狐网2026-01-18
