研發創新

       鈉離子電池（SIB）由于鈉儲量豐富，被認為是后鋰時代蕞有前途的電池技術。在過去的20年里，為SIB探索新的電解質一般都是依靠 "固體電解質間相（SEI）"理論來優化電解質成分。然而，許多觀察到的現象不能用SEI理論完全解釋2019年是鋰離子電池取得蕞高成就的一年，因為John Goodenough、M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino獲得了諾貝爾化學獎，這是對鋰離子電池多功能儲能設備的發明者的表彰。誠然，只有三位獲獎者是諾貝爾委員會的限制，我們必須同樣感謝其他科學家，其中一些將在本文中提及，他們的工作帶給了我們上個世紀人類蕞偉大的成就之一。    

       基于上述諾貝爾獎獲得者的研究，LIB于1991年被SONY商業化，并立即實現了兩位數的銷售額增長率。LIB市場份額僅用了6年就超過了當時現有的電池技術，如鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池。這種驚人的增長來源于便攜式消費電子設備（例如卡座錄音機、唱片機、個人護理設備和移動電話）的興起。LIB的輕質和高能量密度特性使其成為這些設備的理想選擇。這也意味著LIB和當時現有的電池技術之間沒有直接競爭。例如，日本鎳鎘電池和鎳金屬氫化物電池的銷售額并沒有因為LIB銷售額的指數增長而下降。顯然，一個新的細分市場已經出現。 自從第一個商業LIB出現以來，便攜式消費電子產品在形式和功能上都發生了巨大的變化，集成電路上的晶體管數量大約每兩年翻一番。這意味著，計算速度大約每兩年翻一番，蕞終產生了智能設備。運行這些復雜設備所需的電池能量密度也有所增加，但增長速度較慢。這是因為能量密度受基本的化學性質所限，增加電池的能量密度已被證明是一個巨大的挑戰。盡管如此，仍有改進其他電池性能的空間，例如成本、循環穩定性、安全性、環境友好性和電池設計方式。

       LIB的一個突出特點是能夠不斷發現新的應用領域。最近，由特斯拉公司、比亞迪和日產率先推出的純電動汽車已成功完全商業化，并由LIB提供動力。搭載 100kWh車載電池組的Tesla Model S行駛里程為600公里，獲得了美國環保署認證。全球電動汽車和電動公共汽車數量目前為400萬輛，預計到2028年這一數字將達到5000萬到兩億。這種普通汽車向電動汽車的轉變是由清潔能源政策推動的。 在固定儲能領域，預計將安裝更多兆瓦時規模的LIB。雖然在這些領域中，電池重量和占地面積不是主要考慮因素，但預計LIB還是將發揮主導作用。這是因為LIB的其他性能指標，如循環效率、高功率和深度放電能力，是盈利性電網儲能的重要要求。 雖然鋰離子電池技術沒有明顯的性能限制，但碳酸鋰和鈷酸鋰等原材料的來源變得越來越困難。隨著電池組尺寸和安裝數量的增加，原材料公司發現越來越難以滿足需求。例如，2015年，由于電動汽車行業的需求，碳酸鋰的價格在10個月內上漲了近兩倍。而且碳酸鋰稀缺且分布不均——2015年全球產量的近一半來自南美洲。

       對于一個經濟利益迅速增加的原材料來說，由于全球供應風險短缺和源頭過度開發，勢必會出現問題。此外，鋰離子電池的其他重要成分鈷和石墨被歐盟(EU)列為關鍵原材料。因此，最近LIB的大規模部署給已經擁擠的價值鏈帶來了更大的壓力，導致價格波動。因此，有必要且必須急迫地投資于鋰技術之外的替代研究工作，以克服對稀缺資源的過度依賴。 幸運的是，在過去十年中，對鈉離子電池的研究興趣大增。這主要是因為SIB從根本上擁有與LIB性能相匹配的潛力。鈉和鋰是第一主族元素（也稱為堿金屬元素）的兩個相鄰成員。它們在價殼中都有一個松散的電子，因此很容易形成第一氧化態Li+ 和 Na+。作為電化學載體，Li+和Na+在標準電極電位方面沒有太大區別：Na（-2.71 V 對標準氫電極（SHE））僅比 Li（-3.04 V 對 SHE）高300mV。在發現和開發鋰插層化合物的同時，鈉化合物的結構和電化學性質也得到了同等的探索。盡管鋰化合物顯示出優異的電化學性能，但與鋰相比，鈉的可用性和成本預計將改變目前鋰一家獨大的場面。然而，由于早期LIB電池的產量相對較小，鋰生產限制從未被測試過。

       此外，電池能量密度在便攜式電子設備應用中至關重要。因此，LIB 的研究和商業化呈指數級增長，這在某種程度上以犧牲SIB的研究為代價。然而，在過去十年中，由于對鋰供應短缺的擔憂以及對替代性、可持續電池技術的需求，SIBs的研究得到了真正的復興。 最近SIB的研究復興使得在鈉插入化合物方面取得了顯著的發現。SIB發展如果能成功商業化，同樣能對清潔能源轉型作出重大貢獻。在本文中，我們分析了推動基于鋰和鈉的室溫可充電電池不同發展路徑的驅動力。特別關注基于候選室溫有機電解質的SIBs的特性，以回答以下問題：SIBs可以取代 LIBs嗎？對于感興趣的讀者，最近出現了一些關于SIB 和LIB的深入評論。SIBs的顯著進步歸功于固態材料的科學知識，而這些知識是在開發LIBs時獲得的。此外，電極結構的相似性使得SIB和LIB的工業加工技術相同。這種積極因素的結合使 SIB 技術的發展順風順水，有望給SIB帶來商業成功。