中國儲能網(wǎng)訊：迄今，資源型化石燃料仍然是人類主要的電力供給源。其大量使用造成的碳排放是造成目前地球溫室效應的主要原因，清潔能源的高效存儲與利用是緩解當前全球所面臨的能源危機和環(huán)境污染問題的有效途徑。作為重要的解決手段之一，開發(fā)利用以太陽能和風能為代表的可再生能源發(fā)電已成為當務之急。然而，包括太陽能、風能、潮汐能等在內(nèi)的這些自然能源是間歇性的，其產(chǎn)生的電能大小嚴重依賴于天氣、季節(jié)、時間和地點等自然因素。這些不穩(wěn)定的電能如果直接并入電網(wǎng)，會嚴重干擾電網(wǎng)的正常運行。大規(guī)模儲能系統(tǒng)的采用可以有效地解決這個問題，依靠可再生的自然資源產(chǎn)生的間歇性能源可以通過儲能系統(tǒng)的存儲和釋放接入電網(wǎng)，使用戶端得到穩(wěn)定、安全、高效的清潔能源。例如目前太陽能主要利用形式是通過光伏發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能，但光伏電池僅能實現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化為電能，不能實現(xiàn)電能的存儲。如果能開發(fā)出一種新型低成本、高性能及環(huán)境友好的光電轉(zhuǎn)化儲能設備，使太陽能可充電電池不僅實現(xiàn)太陽能至電能的直接轉(zhuǎn)化和存儲，同時可解決便攜電子產(chǎn)品或電動汽車充電時對電網(wǎng)的依賴，具有重大意義。同時，光電轉(zhuǎn)化儲能設備也是平衡各類能量應用需求，提升社會整體能量使用效率的有效手段，不但能夠提高大規(guī)模及分布式可再生能源接入能力，還能提升城市微網(wǎng)電能質(zhì)量，在各類備用電源和清潔交通能源領域有廣闊的應用前景。
二次電池體系的局限性
為了開發(fā)出滿足大規(guī)模儲能應用的高安全、低成本、長壽命和大規(guī)模的儲能技術，世界范圍內(nèi)的科學家進行了廣泛而細致的研究。目前，主要應用的儲能技術有電化學儲能、機械儲能、電磁儲能和相變儲能等，其中電化學儲能技術與其他儲能方式相比具有效率高、投資少、使用安全、應用靈活等特點，最符合當今能源的發(fā)展方向。在各種電化學儲電方式中，二次電池使用與維護最為方便。然而目前成熟的二次電池體系，幾乎都不適合大規(guī)模儲能應用。傳統(tǒng)的鉛酸、鎘鎳電池含有大量有害的重金屬元素,大規(guī)模應用會在生產(chǎn)和廢棄階段造成嚴重的環(huán)境污染，而且對環(huán)境溫度要求嚴格，僅適用室內(nèi)運行環(huán)境;鎳氫電池采用了昂貴的稀有金屬,資源與價格上難于滿足大規(guī)模儲電的成本要求。全釩液流電池除了采用了貴金屬外，還有毒性和腐蝕性的問題；鈉硫電池因為需要高溫，液態(tài)硫和金屬鈉對氧化鋁隔膜具強腐蝕性，容易造成燃燒事故。
有機系離子電池：鋰離子還是鈉離子
相比于上述的傳統(tǒng)二次電池，有機系離子電池以離子在正負極的嵌入脫出和在二極間擴散作為充放電基本原理，具有能量密度高，倍率高和循環(huán)壽命長的特點。在性能上可以滿足儲能系統(tǒng)的技術要求。然而，由于其大量使用易燃的有機電解質(zhì)，在生產(chǎn)和使用過程中會造成爆燃事故，有安全性問題缺陷。而水系離子電池由于采用中性的鹽水溶液作為電解質(zhì)，既避免了有機電解質(zhì)的易燃問題，又克服了傳統(tǒng)水系電池的高污染，短壽命（如鉛酸電池）和價格昂貴（鎳氫電池）的缺點，是能夠滿足大型儲能技術要求的理想體系。因此，近年來，水系離子（鋰、鈉等）電池的研發(fā)越來越受到關注。
可是，實際上地球上的鋰資源是難以支撐大型儲能系統(tǒng)的應用需求的。全球鋰資源基礎儲量（碳酸鋰計）約為58M噸，而且大多數(shù)鋰資源集中于海拔4000米以上高原鹽湖，開發(fā)利用困難，現(xiàn)在已知的可開采儲量約為25M噸?？墒悄壳叭蛱妓徜嚹晗牧考s為7至8萬噸，預計可開采時間不過50多年。以現(xiàn)有技術的鋰離子電池計算：每KWh鋰離子電池用鋰量折合為碳酸鋰約為1.4kg。而2011年全球累計風電裝機容量240GW(KMW)，滿足8小時儲電就需要折合約1.5M噸的碳酸鋰。更不用說日益增長的電動汽車對鋰的需求。
另一方面，鈉與鋰的化學性能類似，因此被認為能夠替代鋰適用于鋰離子電池體系。鈉是地球上儲量最豐富的資源之一，可以說是用之不竭。價格也顯著降低，通常為鋰鹽的1/10。而且，傳統(tǒng)的以有機溶劑為電解液的鋰離子電池面臨高成本，生產(chǎn)復雜，安全性等問題，使其在大規(guī)模儲能領域存在瓶頸。與之相比，水系電解質(zhì)有更快的離子遷移速率，更便宜，更安全，電池更容易制造以及可以使用更厚的電極等特點。綜上所述，使用水系電解質(zhì)的鈉離子電池被認為是最有潛力的適合大規(guī)模儲能系統(tǒng)的電池，成為最近業(yè)界研究工作的焦點。
水系鈉離子電池基本原理
如上圖所示，水系鈉離子電池采用含有鈉離子的水溶液作為電解質(zhì)，正極由不同離子嵌入化合物組成。充電時，鈉離子從正極脫出，并通過電解液擴散至負極，在負極發(fā)生吸附或嵌入反應，電子則由正極轉(zhuǎn)移至負極。放電過程與充電過程相反。
鈉離子的半電池電位(E0Na+/Na=E0Li+/Li+0.3)比鋰離子電池高，適合采用分解電壓更低的電解液，因而安全性能更佳。鈉離子電池不以鈉作為負極，而是由炭材料或嵌入化合物組成。
現(xiàn)行的鈉離子電池大致分為二種類型：
1）電容負極/嵌入正極型非對稱型電容電池
在這類電池中, 負極采用高比表面活性碳材料,反應原理為鈉離子在表面的吸附/脫附反應；正極則采用高電勢嵌鈉化合物, 反應過程為鈉離子的嵌入脫出機理。因此, 這類電池又稱為混合型水系鈉離子電容電池。此類設計雖然使得電池的能量密度較低, 但也規(guī)避了選擇合適儲鈉負極材料的問題,結構簡單，易于制造，是產(chǎn)業(yè)化的一種選擇方案。
2）嵌入負極/嵌入正極鈉離子電池
此類電池就是與有機系鋰/鈉離子電池相似的“搖椅式”水系鈉離子電池。正極仍然采用高電勢的嵌鈉化合物，反應過程是鈉離子的嵌入脫出機理。而負極則選取低電勢的嵌鈉化合物，反應過程也是鈉離子的嵌入脫出機理。與1）相比，此類電池具有較高的能量密度和電池電壓，更適合儲能系統(tǒng)的要求。然而，由于存在水電解的副反應，電池的循環(huán)性能穩(wěn)定性是挑戰(zhàn)。
水系鈉離子電池研究突破
近日，日本國立產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所（AIST）首席研究員、筑波大學和南京大學兼職教授周豪慎，AIST博士后李娜和筑波大學博士研究生李琪等，首次將二氧化鈦（TiO2）光電極嵌入到新型鈉離子電池的正極，實現(xiàn)了太陽能的高效轉(zhuǎn)化和存儲。該光輔助可充電鈉離子電池利用水系的Na2S4 陽極電解液和NaI陰極電解液分別作為電池的負極及正極的活性物質(zhì)，并且將TiO2光電極嵌入正極電解液中作為太陽能轉(zhuǎn)化及存儲基元。當電池在模擬太陽光照下充電時，TiO2光電極受光激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴。躍遷到導帶的電子通過外電路傳到電池的負極可使Na2S4還原為Na2S，同時留在價帶的空穴氧化NaI為NaI3。而該電池的放電過程與傳統(tǒng)鈉離子電池的相似，在電池的負極和正極可分別通過Na2S/Na2S4氧化及NaI3/NaI還原轉(zhuǎn)化達到化學能到電能的轉(zhuǎn)變。由于光電勢的補償，電池的充電電位平臺降為0.08 V。超低的充電電勢平臺明顯低于放電電勢平臺，致使電池的能量轉(zhuǎn)換效率高達190%，相當于節(jié)省了近90%的輸入電能。該項研究成果為開發(fā)低成本、高安全性能光電轉(zhuǎn)化存儲設備提供了新的思路，同時推動了光充電電池的實際應用。相關結果已在線發(fā)表于Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201600632)。
產(chǎn)業(yè)化應用現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)
據(jù)海外媒體報道，豐田新開發(fā)的鈉離子技術可有效提升電動車的續(xù)航里程——最大可達到驚人的1000公里(620英里)，而且價位更低。豐田的新電池使用了一個鈉基化合物作為正極的鈉離子電池，電池產(chǎn)生的電壓高出鋰離子電池30%。維基百科指出鈉是地殼中豐富度排第六的元素，世界上鹽的一半是由鈉元素組成，因此鈉離子電池的原材料可謂異常充裕。
Faradion創(chuàng)始人迪克西在接受采訪時曾表示，鋰電池的生產(chǎn)流水線完全可以用來制作鈉電池，不需要很大改動。“一些車企已向我們表達了意向，因為鈉電池的成本比鋰電池低不少?！睋?jù)報道，由于材料更為充足，用鈉代替鋰每千瓦時能夠減少大約30%的成本。這項工程是與Williams Advanced Engineering（威廉姆斯先進工程公司）——Williams Formula One team（威廉姆斯一級方程式車隊）的一個分支——合作進行，該車隊還向電動方程式錦標賽提供電池。
水系鈉離子電池研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化時間都很短，技術層面還存在很多難題有待攻克。其主要問題有一下幾點：
1.水是最常見的液體，同時也是常見液體中極性最強的。在水溶液中循環(huán)使用的電池，必須克服電極材料在水溶液中的溶解以及鹽溶液對電極的長期（10-20年）持續(xù)不斷的緩慢腐蝕。解決這一問題的途徑不一，可以是開發(fā)新型的耐腐材料，亦可以是從電池設計的角度考慮，加強電極的成型后的強度以抗抵水溶液的侵蝕；
2.由于水的理論電解電壓只有1.23V，因此極大地限制了水系鈉離子電池的質(zhì)量比能量。目前見報的這類產(chǎn)品質(zhì)量比能量均不超過25wh/kg，比鉛酸蓄電池還低。在電解液的分解電壓不變的前提下，只能通過尋找或創(chuàng)造出更高比容量的正負極材料，才能提升整個電池的質(zhì)量比能量；
3.水系鈉離子電池是一種全新的電池體系，其電極的成型，集流體的選擇，電解液功能添加劑的開發(fā)等等一系列的工藝技術難題還需要不斷地被攻克，電池性能仍有很大的提升空間。
