1.3　钠离子电池基本原理

钠离子电池的工作原理和锂离子电池是类似的，都是“摇椅式电池”，如图1-7所示[7]。其本质是一种浓差电池，正极和负极材料是由具有不同钠离子含量的化合物组成的。在充电过程中，钠离子从钠含量较高的正极材料中脱出，进入电解液中，与溶剂分子形成溶剂化分子，通过电场作用迁移到负极，经过去溶剂化作用重新形成钠离子，最终转移到钠含量较低的负极材料中；同时电子经过外电路运输到负极，以保持正负极的电荷平衡。在放电过程中，钠离子和电子的迁移路径与充电过程相反。从整体反应来说，在电池内部完成了钠离子在正负极材料中的可逆存储与释放，完成了钠离子在电解液中的转移，在电池外部完成了电子的转移。因此，钠离子电池是一种具有可充放电能力的二次电池，可以被运用到大规模储能和低速电动汽车等多个领域。其研究方法和改性手段也可在一定程度上借鉴锂离子电池的技术。

虽然钠离子电池和锂离子电池的工作模式相似，但是由于钠元素和锂元素存在性质的差异，因此两种电池也存在不同的特性，如表1-2所示[16]。钠位于元素周期表第一主族第三周期，相对原子质量为23g/mol，原子核外有两种不同性质的电子云（球形和哑铃形），最外层电子占据了3S轨道。相对于锂而言，钠的相对原子质量和离子半径更大，电化学当量几乎是锂的3倍，但是钠离子的去溶剂化能更低、扩散能力更强。因此，与锂离子电池相比，钠离子电池也存在独特的体系优势：第一，含钠化合物在地球上分布广泛且储量丰富；第二，含钠化学物开采容易且品质高；第三，钠离子的氧化还原电位比锂离子的氧化还原电位约高300mV，所以可以用于分解电势更低的电解质溶剂、电解质盐和铝集流体；第四，钠离子电池更加绿色环保且符合可持续发展的原则。但是，钠离子电池的发展也存在诸多的技术难点：第一，钠离子的离子半径（1.06 Å）比锂离子的离子半径（0.76 Å）大，在固体晶格中迁移时的阻力会更大，表现出迟缓的反应动力学；第二，较大的钠离子半径会导致储钠主体材料的晶格应力较大，进而导致在电化学循环过程中晶体结构发生坍塌和材料循环稳定性变差；第三，钠离子的相对原子质量大于锂离子，因此通常储钠电极的理论容量比储锂电极小。其中，反应动力学迟缓问题是目前导致钠离子电池实际容量与理论容量存在明显差距的主要原因之一。