未來鈉電池或將推動綠色經濟

鋰離子電池隨處可見，它們不僅為耳機、手機和車供電，也見。可再能機、手設施的備用電源，用以應對太陽能或風能不足的情況。但鋰本身相對稀缺，只有少數幾個國家供應該資源。一個依靠可再生能源的世界，其所需的電池容量應達到現有水平的200倍，而這或許就要求一種不一樣的電池。“我不知道我們能否僅靠鋰離子實現此目標。”芝加哥大學的電池化學家孟穎說道。

已有幾十年歷史的鋰離子電池技術似乎正在迎接挑戰。有沒有一種可能，用鈉離子而非鋰離子來攜帶和儲存電荷的電池，也就是鈉離子電池，未來會成為主流？

鈉無處不在，海水中和鹽礦里都有其身影，因此它的供應和成本不是問題。但此金屬在儲存電荷方面不如鋰，因為鈉離子是鋰的三倍大，這影響了它們進出現有電池電極的能力。世界各地的實驗室都在開發新的電極材料以解決這方面問題。回顧過去數月，我們看到有幾個研究小組介紹了能量密度與低端鋰電池相當的鈉電池。哥倫比亞大學電池化學家丹·斯坦加特（DanSteingart）表示：“該進展令人驚嘆。”與此同時，商用鈉離子電池開始為電動汽車、摩托車供能和電網電力存儲等貢獻力量。

不過，用法蘭西公學院固態化學家讓－馬里·塔拉斯孔（Jean-MarieTarascon）的話說：“我們還沒到那步。”這種電池的性能還遠沒達到鋰離子電池的最佳水平。現階段依然缺少能驅動轉變的經濟激勵：鋰短缺依然只是個理論上的問題；實際上，由于供應過剩，此種金屬的價格于過去3年間下跌了 70% 。

與鋰電池一樣，鈉電池的工作原理是將帶正電的離子傳遞到一對電極之間，電極之間由離子導電電解質隔開。在充電過程中，電子輸送至帶負電的陽極（負極）；金屬離子被吸引，從帶正電的陰極（正極）流出，通過電解質，運動至陽極。在放電過程中，電子從電池中脫出，金屬離子則由陽極返回陰極。

由于鈉離子大于鋰離子，故充電時能擠入陽極以儲存電荷的鈉離子更少。設計者需要做更大規模的電池來容納相同電量，這增加了成本和體積。鈉電池的存儲容量甚至還達不到最好的鋰電池的一半，后者每千克可儲存超過300瓦時的電量（即電池能量密度達 300Wh/kg 以上）。不過美國阿貢國家實驗室的電池化學家徐桂良表示：“有多種途徑可解決該難點。”

一方面是改變陽極成分。大多數鋰離子電池采用石墨材料，后者緊密的層狀結構傾向于排斥鈉離子。許多研究人員將目光投向了另一種碳一難以石墨化的硬碳，具有孔隙結構，而鈉離子可以進入這些孔隙。

不幸的是，這些孔隙也會減少陽極的儲能總量。科學家則發現，向陽極添加錫能有所幫助。當錫穩定于碳載體上時，每個錫原子可結合多達3.75個鈉離子，這就可以提升陽極容納鈉的水平，進而提高儲存能量的能力。例如，美國圣地亞哥初創公司UNIGRID開發的鈉電池能量密度為 雖然這仍然低于低端鋰電池的 200Wh/kg ，但用休斯敦大學鈉離子電池專家姚彥的話說：“它看起來非常令人興奮。”

另一方面的改進是對陰極成分的調整。電池陰極通常由金屬氧化物制成，旨在更好地儲存鈉，同時使其更好地流動。最受歡迎的一種新材料是鈉、釩、磷和氧的混合物（NaVPO），傾向于形成層狀結構，允許鈉原子輕松進出。

目前，NaVPO的能量密度相較鋰電池陰極處于中等水平。不過由休斯敦大學化學家皮埃雷馬努埃萊·卡內帕（PieremanueleCanepa）領導的研究團隊近期圍繞NaVPO晶體結構，通過計算機建模和X射線衍射給出了又一種頗具前景的調整方案。根據2024年10月23日發表于《自然-材料》（NatureMaterials）雜志上的報告，卡內帕與同事不僅合成了新材料，還將其融入鈉離子電池陰極，陰極的能量密度比過往的NaVPO設計高 15% 。

此外，還有一種更激進的方法則是用有機物制造陰極。有機物也可形成能容納與釋放鈉離子的層狀結構，不過它們往往會因電池電解質的存在而分解。在2025年2月5日刊載于《美國化學會志》（JACS）的一項新研究中，麻省理工學院的化學家米爾恰·丁卡（MirceaDinca）等人介紹稱，他們創造出一種更耐用的層狀有機陰極，稱為TAQ。此種材料不僅歷經數千次充電和放電循環而保持穩定，其能量密度更是有史以來制造的所有鈉離子陰極中最高的。卡內帕稱其為“一件美麗的化學作品”。

2024年11月，全球最大的電池制造商寧德時代推出第二代鈉離子電池，并稱該產品的電池能量密度達 200Whkg. ，高于第一代電池的 160Wh/kg 。與此同時，寧德時代的競爭對手之一比亞迪表示，他們正建設一家鈉離子電池工廠，爭取到2027年實現30吉瓦時的年產能，部分用于可再生能源存儲。放眼全球，另有至少6家初創公司也已入局，在電池化學中吐故“鈉”新。

不過，UNIGRID首席執行官達倫·譚（DarrenTan）表示：“關于電池設計和性能的細節缺乏透明度。”

當然，鈉電池發展的障礙不僅僅是技術上的。斯坦加特認為，現階段鋰的低成本使鈉的主要賣點略顯黯然。鈉離子電池制造商的規模還太小，無法從規模經濟中獲益。以鈉電池領域的先驅之一Northvolt為例，這家曾被譽為“歐洲電池之光”的瑞典企業扛不住現金壓力，已于2024年11月申請破產。

政治是另一個不確定因素。2025年1月，美國新任總統唐納德·特朗普上任后，立即宣布停止聯邦政府對風能和太陽能項目的支持，此舉可能導致部署大規模備用電池系統的計劃被擱置。

斯坦福大學材料科學家闕宗仰（WilliamChueh）表示，技術進步將決定鈉離子電池的成本效益。1月13日，闕領銜同事在《自然－能源》（NatureEnergy）雜志發表論文稱，他們評估了6000多種生產鈉離子電池的路線圖并得出結論：要想與低成本鋰離子電池一較高下，研究者需取得多方面突破，包括擺脫當前鈉電池制備所涉及的所有昂貴材料，例如鎳和釩。

斯坦加特相信進展即將到來。至于對鈉離子電池的基礎化學的理解，“我們還處于早期階段”。