钠离子电池：储能新势力的崛起

2025-10-16 13:23:31, 创新研究中心北京欧波同光学技术有限公司

钠离子电池（SIB）是一种基于“摇椅式”充放电机制的二次电池。其工作原理与锂离子电池（LIB）高度相似：充电时，钠离子（Na⁺）从正极脱出，经电解液嵌入负极；放电时则反向运动。核心区别在于活性载流子为地球上储量丰富、分布广泛的钠元素（地壳丰度约2.3%，远高于锂的0.006%），这为解决锂资源短缺和成本问题提供了关键路径。

图1 摇椅式电池

产业链全景：从材料到应用

Part.1

钠电池产业链主要变化集中在中游和正极。钠电池的产业链结构与锂电池相似，负极、电解液、隔膜基本保持目前的竞争格局，集流体不再需要铜箔。主要技术路线的电池企业不同，所需要的正极材料或其关键材料也不同。

上游材料：正极材料（层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类等）、负极材料（硬碳为主）、电解液（钠盐+溶剂）、隔膜、集流体（正极和负极都可用铝箔）。

中游制造：电池芯制造（极片涂布、卷绕/叠片、注液、封装）、模组与电池包集成（Pack）。

下游应用：大规模储能（电网侧、发电侧、用户侧）、电动两轮车/低速电动车、启停电源、备用电源等领域，在成本敏感型储能场景优势显著。

核心正极材料体系

Part.2

层状氧化物 (NaxTMO₂)：制备工艺成熟、能量密度较高（如铜铁锰基体系），但存在相变复杂、循环稳定性挑战，类似锂电NCM/NCA。

图2 Apreo 2拍摄获得的层状氧化物结构

聚阴离子化合物：以磷酸盐（如Na₃V₂(PO₄)₃ - NVP）、硫酸盐（如Na₂Fe₂(SO₄)₃）、氟磷酸盐（如Na₃V₂(PO₄)₂F₃ - NVPF）为代表。具有稳定开放框架结构、优异热/电化学稳定性及长循环寿命，但能量密度和电子电导率相对较低，常需碳包覆/纳米化。

图3 Apreo 2拍摄获得的聚阴离子化合物结构

普鲁士蓝类化合物 (PBAs)：具备理论容量高、成本低、倍率性能好的优势，但结晶水难以彻底去除，影响循环稳定性与库伦效率。通式为AxM[Fe(CN)6]y·zH2O (A=Na, M=Fe, Mn, Ni等)。

图4 普鲁士化合物空间结构

扫描电镜：钠电池材料表征利器

Part.3

扫描电镜凭借其高分辨率和大景深成像能力，在钠电池研发中扮演着不可或缺的角色。

形貌观测：直接观察正/负极材料颗粒的尺寸、形貌、均匀性（如硬碳孔隙结构、层状氧化物片状形貌），评估材料合成质量。

电极结构分析：观察电极涂层均匀性、厚度、孔隙结构以及活性物质/导电剂/粘结剂分布状态。

失效分析：检查循环后电极材料颗粒破碎、团聚、裂纹等机械失效现象，揭示容量衰减机制。

结合EDS：进行微区元素分布Mapping，确认材料组分均匀性、杂质分布、表面修饰效果等。

赛默飞Apreo 2助力钠电研发

Part.4

钠离子电池凭借其资源与成本优势，已成为储能和特定动力应用领域极具潜力的“后起之秀”。层状氧化物、聚阴离子和普鲁士蓝三大正极材料体系各具特色，共同推动性能优化。先进表征技术如扫描电镜，则为深入理解材料微观结构与电池失效机制提供了关键支撑。赛默飞超高分辨场发射扫描电镜Apreo 2兼具低电压高质量成像和多功能分析性能于一体，采用双引擎技术，超低电压下可直接分析钠电池材料，且无需做喷镀处理。如图2和图3展示案例所示，在低电压下，直接将钠电正极粉体置于Apreo 2电镜中进行拍摄，同时凭借快捷的FLASH功能，设备可自动执行精细调节动作，只需移动几次鼠标，就可完成必要的合轴对中、消像散和图像聚焦校正，即使电镜初学者也能充分发挥Apreo 2的最佳性能。

随着材料创新、工艺成熟与产业链协同发展，钠离子电池有望在构建可持续能源体系中发挥越来越重要的作用。