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       钠离子电池(SIB)由于钠储量丰富,被认为是后锂时代蕞有前途的电池技术。在过去的20年里,为SIB探索新的电解质一般都是依靠 "固体电解质间相(SEI)"理论来优化电解质成分。然而,许多观察到的现象不能用SEI理论完全解释2019年是锂离子电池取得蕞高成就的一年,因为John Goodenough、M. Stanley Whittingham 和 Akira Yoshino获得了诺贝尔化学奖,这是对锂离子电池多功能储能设备的发明者的表彰。诚然,只有三位获奖者是诺贝尔委员会的限制,我们必须同样感谢其他科学家,其中一些将在本文中提及,他们的工作带给了我们上个世纪人类蕞伟大的成就之一。    


       基于上述诺贝尔奖获得者的研究,LIB于1991年被SONY商业化,并立即实现了两位数的销售额增长率。LIB市场份额仅用了6年就超过了当时现有的电池技术,如镍镉电池和镍金属氢化物电池。这种惊人的增长来源于便携式消费电子设备(例如卡座录音机、唱片机、个人护理设备和移动电话)的兴起。LIB的轻质和高能量密度特性使其成为这些设备的理想选择。这也意味着LIB和当时现有的电池技术之间没有直接竞争。例如,日本镍镉电池和镍金属氢化物电池的销售额并没有因为LIB销售额的指数增长而下降。显然,一个新的细分市场已经出现。 自从第一个商业LIB出现以来,便携式消费电子产品在形式和功能上都发生了巨大的变化,集成电路上的晶体管数量大约每两年翻一番。这意味着,计算速度大约每两年翻一番,蕞终产生了智能设备。运行这些复杂设备所需的电池能量密度也有所增加,但增长速度较慢。这是因为能量密度受基本的化学性质所限,增加电池的能量密度已被证明是一个巨大的挑战。尽管如此,仍有改进其他电池性能的空间,例如成本、循环稳定性、安全性、环境友好性和电池设计方式。


       LIB的一个突出特点是能够不断发现新的应用领域。最近,由特斯拉公司、比亚迪和日产率先推出的纯电动汽车已成功完全商业化,并由LIB提供动力。搭载 100kWh车载电池组的Tesla Model S行驶里程为600公里,获得了美国环保署认证。全球电动汽车和电动公共汽车数量目前为400万辆,预计到2028年这一数字将达到5000万到两亿。这种普通汽车向电动汽车的转变是由清洁能源政策推动的。 在固定储能领域,预计将安装更多兆瓦时规模的LIB。虽然在这些领域中,电池重量和占地面积不是主要考虑因素,但预计LIB还是将发挥主导作用。这是因为LIB的其他性能指标,如循环效率、高功率和深度放电能力,是盈利性电网储能的重要要求。 虽然锂离子电池技术没有明显的性能限制,但碳酸锂和钴酸锂等原材料的来源变得越来越困难。随着电池组尺寸和安装数量的增加,原材料公司发现越来越难以满足需求。例如,2015年,由于电动汽车行业的需求,碳酸锂的价格在10个月内上涨了近两倍。而且碳酸锂稀缺且分布不均——2015年全球产量的近一半来自南美洲。


       对于一个经济利益迅速增加的原材料来说,由于全球供应风险短缺和源头过度开发,势必会出现问题。此外,锂离子电池的其他重要成分钴和石墨被欧盟(EU)列为关键原材料。因此,最近LIB的大规模部署给已经拥挤的价值链带来了更大的压力,导致价格波动。因此,有必要且必须急迫地投资于锂技术之外的替代研究工作,以克服对稀缺资源的过度依赖。 幸运的是,在过去十年中,对钠离子电池的研究兴趣大增。这主要是因为SIB从根本上拥有与LIB性能相匹配的潜力。钠和锂是第一主族元素(也称为碱金属元素)的两个相邻成员。它们在价壳中都有一个松散的电子,因此很容易形成第一氧化态Li+ 和 Na+。作为电化学载体,Li+和Na+在标准电极电位方面没有太大区别:Na(-2.71 V 对标准氢电极(SHE))仅比 Li(-3.04 V 对 SHE)高300mV。在发现和开发锂插层化合物的同时,钠化合物的结构和电化学性质也得到了同等的探索。尽管锂化合物显示出优异的电化学性能,但与锂相比,钠的可用性和成本预计将改变目前锂一家独大的场面。然而,由于早期LIB电池的产量相对较小,锂生产限制从未被测试过。


       此外,电池能量密度在便携式电子设备应用中至关重要。因此,LIB 的研究和商业化呈指数级增长,这在某种程度上以牺牲SIB的研究为代价。然而,在过去十年中,由于对锂供应短缺的担忧以及对替代性、可持续电池技术的需求,SIBs的研究得到了真正的复兴。 最近SIB的研究复兴使得在钠插入化合物方面取得了显著的发现。SIB发展如果能成功商业化,同样能对清洁能源转型作出重大贡献。在本文中,我们分析了推动基于锂和钠的室温可充电电池不同发展路径的驱动力。特别关注基于候选室温有机电解质的SIBs的特性,以回答以下问题:SIBs可以取代 LIBs吗?对于感兴趣的读者,最近出现了一些关于SIB 和LIB的深入评论。SIBs的显著进步归功于固态材料的科学知识,而这些知识是在开发LIBs时获得的。此外,电极结构的相似性使得SIB和LIB的工业加工技术相同。这种积极因素的结合使 SIB 技术的发展顺风顺水,有望给SIB带来商业成功。


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