科技趨勢
鈉離子電池：電動車未來的新趨勢
2021年7月19日
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背景
電動車電池成本
為什麼電動車需要更好的電池
電動車，尤其是那些使用再生能源發電的電動車，被視為有助於全球氣候保護的未來車型。但多年來，汽車製造商在電池技術中一直使用稀有且相對昂貴的鋰，這減緩了電動車在全球的普及速度。
儘管電動車、商用車和電動自行車發展迅速，但其應用仍受到限制。高昂的價格、繁瑣的充電設施以及電池生產過程中消耗大量原材料等問題，阻礙了電動車的快速發展。
為了使電動車廣泛普及，汽車製造商必須推出功能更強大、更耐用、更永續、更實惠的電池。
用鈉代替鋰
材料對比
鈉代替鋰
鈉離子電池或許是可行的選擇，近年來鈉離子電池的發展速度令人矚目。在可預見的未來，鈉離子電池或許能夠取代電動車、智慧型手機或筆記型電腦中使用的鋰電池。
鋰和鈉是兩種鹼金屬，它們的化學性質非常相似。雖然鈉的能量密度低於較稀有的鋰，但鈉較容易取得，價格也相對低廉。
有希望的突破
原型進展
前景可期的突破
鈉離子電池的性能仍然比鋰電池落後約20年。原因在於，過去十年左右的研究人員只專注於開發性能更強的鋰電池。
如今，不僅有突破性的科學論文發表，還有許多極具前瞻性的原型產品。根據五月發表的報告顯示，韓國研發的一種鈉離子電池在容量下降到初始容量的80%之前，已經經歷了約500次完整的充放電循環。
另一款由中美聯合研究團隊研發的電池，在相同容量下可完成約450次充電。一款國產鈉離子電池容量較小，但經過1,200次12分鐘的快充後，仍能維持70%的電量。
聽起來可能不多，但實際上，這些電池可能能夠承受更高的充電次數，因為它們在日常生活中通常不會在電量耗盡後立即充電。實驗中對電池進行完全放電和充電會加劇電池的損耗。
金屬元素鋰較稀有且昂貴，但目前大多數電池技術都使用鋰電池。原圖顯示的是2019年鋰儲量排名前列的國家。
此外，鈉離子電池技術無需使用稀有資源。製造正極材料無需稀有鋰鹽，食鹽即可滿足需求。高性能負極材料可由褐煤、木材和其他生物質製成。生產過程中也無需鈷或其他類似的稀有物質。
基礎研究
石墨烯和鈉離子
基礎研究有突破？
鈉有兩個缺點：它的重量是鋰的三倍，因此即使鋰電池中鈉的含量不到電池總重量的 5%，鈉離子電池的重量仍然會比鋰電池重。
此外，鈉電池的性能也較弱。由於鈉離子比鋰電池的電壓低0.3伏，因此不可避免地會損失約10%的能量密度。更重要的是，目前電池的石墨負極無法容納足夠的鈉離子。
根據德國德勒斯登亥姆霍茲科學研究中心（HZDR）主導的德俄聯合工作小組發布的報告，奈米碳材料有助於改善這個問題。報告指出，使用超薄碳材料——雙層石墨烯——比使用石墨更能有效地在陽極儲存鈉離子。
如果未來可以將石墨烯電極安裝在鋰電池中，取代目前常用的石墨負極，那麼電池容量可能會大幅提升。
亥姆霍茲德勒斯登研究中心的物理學家克拉舍寧科夫將其比喻為在兩張紙之間放一個小球：不斷在紙之間添加小球，紙張就會被推得更開，兩張紙之間的縫隙就會增大。
相容技術
多層結構
相容的技術？
如果鋰電池的多層結構有效，那麼它是否也適用於其他鹼金屬，例如鈉？來自德勒斯登、斯圖加特和莫斯科的一個研究團隊希望利用先進的超級電腦模擬來找到答案。
由於鈉離子電池原型目前為止效果不佳，因為鈉只能勉強進入石墨陽極，電腦計算表明，鈉就像鋰一樣，可以嵌入多層結構中的石墨烯層之間。
未來，如果將石墨烯電極安裝在鈉離子電池中，而不是現在使用的石墨負極，則可能實現更高的儲能容量。
這些研究成果或許能為低成本鈉電池的研發帶來突破。克拉申寧科夫表示，這項工作純屬理論研究，並不提倡僅憑研究結果在可預見的未來開發新一代電池，但它或許能為工程師提供一些有趣的新思路。
未來的電池
未來展望
未來電池
令人欣喜的是，鈉離子電池不再只是理論概念，相關技術的突破似乎指日可待。
最新研究表明，目前已經存在實用、價格合理且資源高效的鋰電池替代品，而且透過多層結構，這些替代品甚至可能提高鋰電池的性能。
鈉離子電池技術要達到大規模生產並應用於電動車或手機等領域，肯定還需要一段時間。但一旦時機成熟，由於兩項技術相對相似，將生產線從鋰電池切換到鈉離子電池應該不會有太大問題。
