鋰離子電池隨處可見，它們不僅為耳機(jī)、手機(jī)和車供電，也見。可再能機(jī)、手設(shè)施的備用電源，用以應(yīng)對太陽能或風(fēng)能不足的情況。但鋰本身相對稀缺，只有少數(shù)幾個(gè)國家供應(yīng)該資源。一個(gè)依靠可再生能源的世界，其所需的電池容量應(yīng)達(dá)到現(xiàn)有水平的200倍，而這或許就要求一種不一樣的電池?！拔也恢牢覀兡芊駜H靠鋰離子實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)?！敝ゼ痈绱髮W(xué)的電池化學(xué)家孟穎說道。

已有幾十年歷史的鋰離子電池技術(shù)似乎正在迎接挑戰(zhàn)。有沒有一種可能，用鈉離子而非鋰離子來攜帶和儲(chǔ)存電荷的電池，也就是鈉離子電池，未來會(huì)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(yīng)和成本不是問題。但此金屬在儲(chǔ)存電荷方面不如鋰，因?yàn)殁c離子是鋰的三倍大，這影響了它們進(jìn)出現(xiàn)有電池電極的能力。世界各地的實(shí)驗(yàn)室都在開發(fā)新的電極材料以解決這方面問題。回顧過去數(shù)月，我們看到有幾個(gè)研究小組介紹了能量密度與低端鋰電池相當(dāng)?shù)拟c電池。哥倫比亞大學(xué)電池化學(xué)家丹·斯坦加特（DanSteingart）表示：“該進(jìn)展令人驚嘆。”與此同時(shí)，商用鈉離子電池開始為電動(dòng)汽車、摩托車供能和電網(wǎng)電力存儲(chǔ)等貢獻(xiàn)力量。

不過，用法蘭西公學(xué)院固態(tài)化學(xué)家讓－馬里·塔拉斯孔（Jean-MarieTarascon）的話說：“我們還沒到那步?！边@種電池的性能還遠(yuǎn)沒達(dá)到鋰離子電池的最佳水平?，F(xiàn)階段依然缺少能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)：鋰短缺依然只是個(gè)理論上的問題；實(shí)際上，由于供應(yīng)過剩，此種金屬的價(jià)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(dǎo)電電解質(zhì)隔開。在充電過程中，電子輸送至帶負(fù)電的陽極（負(fù)極）；金屬離子被吸引，從帶正電的陰極（正極）流出，通過電解質(zhì)，運(yùn)動(dòng)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(shí)能擠入陽極以儲(chǔ)存電荷的鈉離子更少。設(shè)計(jì)者需要做更大規(guī)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(chǔ)容量甚至還達(dá)不到最好的鋰電池的一半，后者每千克可儲(chǔ)存超過300瓦時(shí)的電量（即電池能量密度達(dá) 300Wh/kg 以上）。不過美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的電池化學(xué)家徐桂良表示：“有多種途徑可解決該難點(diǎn)。”

一方面是改變陽極成分。大多數(shù)鋰離子電池采用石墨材料，后者緊密的層狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，而鈉離子可以進(jìn)入這些孔隙。

不幸的是，這些孔隙也會(huì)減少陽極的儲(chǔ)能總量?？茖W(xué)家則發(fā)現(xiàn)，向陽極添加錫能有所幫助。當(dāng)錫穩(wěn)定于碳載體上時(shí)，每個(gè)錫原子可結(jié)合多達(dá)3.75個(gè)鈉離子，這就可以提升陽極容納鈉的水平，進(jìn)而提高儲(chǔ)存能量的能力。例如，美國圣地亞哥初創(chuàng)公司UNIGRID開發(fā)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(xué)鈉離子電池專家姚彥的話說：“它看起來非常令人興奮?！?/p>

另一方面的改進(jìn)是對陰極成分的調(diào)整。電池陰極通常由金屬氧化物制成，旨在更好地儲(chǔ)存鈉，同時(shí)使其更好地流動(dòng)。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(jié)構(gòu)，允許鈉原子輕松進(jìn)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(xué)化學(xué)家皮埃雷馬努埃萊·卡內(nèi)帕（PieremanueleCanepa）領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)近期圍繞NaVPO晶體結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)建模和X射線衍射給出了又一種頗具前景的調(diào)整方案。根據(jù)2024年10月23日發(fā)表于《自然-材料》（NatureMaterials）雜志上的報(bào)告，卡內(nèi)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(shè)計(jì)高 15% 。

此外，還有一種更激進(jìn)的方法則是用有機(jī)物制造陰極。有機(jī)物也可形成能容納與釋放鈉離子的層狀結(jié)構(gòu)，不過它們往往會(huì)因電池電解質(zhì)的存在而分解。在2025年2月5日刊載于《美國化學(xué)會(huì)志》（JACS）的一項(xiàng)新研究中，麻省理工學(xué)院的化學(xué)家米爾恰·丁卡（MirceaDinca）等人介紹稱，他們創(chuàng)造出一種更耐用的層狀有機(jī)陰極，稱為TAQ。此種材料不僅歷經(jīng)數(shù)千次充電和放電循環(huán)而保持穩(wěn)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?？▋?nèi)帕稱其為“一件美麗的化學(xué)作品”。

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

不過，UNIGRID首席執(zhí)行官達(dá)倫·譚（DarrenTan）表示：“關(guān)于電池設(shè)計(jì)和性能的細(xì)節(jié)缺乏透明度?！?/p>

當(dāng)然，鈉電池發(fā)展的障礙不僅僅是技術(shù)上的。斯坦加特認(rèn)為，現(xiàn)階段鋰的低成本使鈉的主要賣點(diǎn)略顯黯然。鈉離子電池制造商的規(guī)模還太小，無法從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益。以鈉電池領(lǐng)域的先驅(qū)之一Northvolt為例，這家曾被譽(yù)為“歐洲電池之光”的瑞典企業(yè)扛不住現(xiàn)金壓力，已于2024年11月申請破產(chǎn)。

政治是另一個(gè)不確定因素。2025年1月，美國新任總統(tǒng)唐納德·特朗普上任后，立即宣布停止聯(lián)邦政府對風(fēng)能和太陽能項(xiàng)目的支持，此舉可能導(dǎo)致部署大規(guī)模備用電池系統(tǒng)的計(jì)劃被擱置。

斯坦福大學(xué)材料科學(xué)家闕宗仰（WilliamChueh）表示，技術(shù)進(jìn)步將決定鈉離子電池的成本效益。1月13日，闕領(lǐng)銜同事在《自然－能源》（NatureEnergy）雜志發(fā)表論文稱，他們評估了6000多種生產(chǎn)鈉離子電池的路線圖并得出結(jié)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(dāng)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(jìn)展即將到來。至于對鈉離子電池的基礎(chǔ)化學(xué)的理解，“我們還處于早期階段”。