导言
可充电电池是现代电子和可再生能源系统的支柱。自 20 世纪 90 年代初以来，锂离子（Li-ion）电池因其卓越的能量密度（高达 300 Wh/kg）和强大的循环寿命（1,000-3,000 多次循环）而占据主导地位。但是，随着电动汽车、便携式设备和电网存储需求的激增，锂金属的供应和地缘政治的集中导致了价格的波动--锂离子电池的价格在不断上涨。2023 年初达到 $20/kg 以上的峰值，2024 年末稳定在 $6-8/kg 左右.本指南将深入探讨钠离子电池与锂离子电池的区别。
钠离子（Na-ion）技术用几乎无限供应的钠元素替代锂元素。虽然钠离子电池目前的能量密度较低（130-160 Wh/kg），但它们可以利用现有的锂离子电池生产线，并使用更便宜、更可持续的原材料。早期的商业试点表明，循环寿命（2,000-4,500 次以上）和电池组成本降低 10-15% 是大有希望的。
钠离子电池简介 锂离子电池
A.锂离子基本原理
锂离子电池包括
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阳极 石墨（~372 毫安时/克）
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阴极 层状锂金属氧化物--常见的有 NMC（镍锰钴）、NCA（镍钴铝）或 LFP（LiFePO₄）。
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电解质 含锂盐的有机溶剂（如 LiPF₆）
在放电过程中，锂离子通过电解液从阳极穿梭到阴极；充电则使这种流动逆转。典型的电池标称电压为 3.6-3.7 V.如今，商用电池的重力能量密度可达 200-300 Wh/kg 的体积密度和 500-700 Wh/L.
主要优势
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高能量密度： 长程电动汽车和紧凑型电子设备的理想之选
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成熟的供应链： 成熟的采矿、加工和再循环技术
B.钠离子基础知识
钠离子电池的结构与锂离子电池相同，但使用的是..：
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阳极 硬碳（~300 mAh/g）
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阴极 钠互钙材料-层状氧化物（NaₓMO₂，M = Fe、Mn、Ni）或普鲁士蓝类似物
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电解质 非水或水性钠盐
由于 Na⁺ 离子较大（1.02 Å，而 Li⁺ 为 0.76 Å），因此电极配方要调整孔径和晶体学以适应钠离子。标称电压略低3.2-3.3 V.钠离子原型电池可提供 130-160 Wh/kg 细胞水平上，细胞群水平密度约为 120-140 Wh/kg .
优势
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丰富的材料 钠盐的成本约为 $0.01/公斤，而锂盐的成本为 $6-8/公斤。
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生产协同： 许多锂离子生产线只需极少的重新装备即可适应瑙离子。
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新出现的安全问题： 正在开发的不易燃水基电解质。
钠离子电池与锂离子电池：有何区别
1.能量密度和容量
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锂离子
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重量法：200-300 Wh/kg（商用）；实验室电池 > 400 Wh/kg。
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容积式：500-700 Wh/L。
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钠离子
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重力测量：130-160 Wh/kg（目前的原型）；研发目标 > 200 Wh/kg .
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容积式：300-400 Wh/L。
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启示 锂离子电池在能量密度方面处于领先地位，这对长距离电动汽车和手持设备至关重要。负离子的能量密度适中，足以满足固定存储和入门级电动汽车的需求。
2.周期寿命和耐用性
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钠离子 在最近的商业试验中，以 80% 的放电深度进行了 2,000-4,500+ 次循环；Natron Energy 公司报告称，使用水性钠离子化学物质进行了 > 50,000 次循环。
启示 在某些配方中，瑙离子的循环寿命可与之媲美，甚至更长，因此对重型和电网应用具有吸引力。
3.充放电速率和效率
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锂离子 快速充电速率为 1 C-5 C（12-60 分钟充满电）；往返效率为 85%-95%。
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钠离子 演示的 1 C-2 C 速率（30-60 分钟充满电）效率约为 90%。
启示 这两种化学物质都支持快速充电；目前，锂离子电池的高端充电速度更快，但负离子电池的性能也在迅速提高。
成本和资源考虑因素
1.原材料供应和价格
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锂： $6-8 美元/千克（2024 年底）；集中在澳大利亚、智利和中国。
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钠： $0.01 美元/千克；在海水和盐沉积物中无处不在。
2.包级成本
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锂离子电池组
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2024 年平均 $115 美元/千瓦时（与 2023 年相比下降了 20%）--根据 BloombergNEF 的数据，创历史新低。
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负离子电池组
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早期试点报告显示，$80-90 美元/千瓦时，在同等性能水平下，通常比锂离子电池便宜 10-15% 。
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较低的原材料成本和更简单的阴极表明，Na-离子可以压倒锂离子，尤其是在固定存储方面。
3.回收和报废
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锂离子 钴、镍、铜的回收利用已经成熟；由于化学成分不同，工艺复杂。
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钠离子 较简单的化学成分（铁、锰）可减少毒性和加工步骤；商业回收方法刚刚起步。
启示 从长远来看，Na-ion 简化的材料外形有望降低回收成本和对环境的影响。
安全与环境影响
1.热稳定性和火灾风险
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锂离子电池： 易燃有机电解质在 ~ 220 °C 以上会发生热失控，导致火灾。
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纳离子 许多原型采用不易燃的水溶液或阻燃电解质；电池在分解前可耐受 > 300 °C 的温度。
2.毒性和处置
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锂离子电池： 含有钴和镍重金属，浸出后会危害环境和健康。
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纳离子 使用铁和锰--毒性低，供应广泛。
3.可持续性足迹
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锂离子采矿： 主要地区用水量大，生境受到破坏。
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纳离子源： 主要是采盐，对生态干扰极小。
启示 钠离子电池具有更高的安全系数和更环保的生命周期，这对大规模部署至关重要。
应用案例研究
1.电网级储能：Faradion 和 Snowy Hydro
2022 年末，法拉帝恩与澳大利亚斯诺水电公司（Snowy Hydro）合作部署了一个 2 兆瓦 / 8 兆瓦时 新南威尔士州的镍离子电池系统。在第一年里，该系统在季节性温度波动中提供了稳定的性能，并提供了频率调节服务--与类似的锂离子装置相比，资本成本降低了 15%。
2.电动汽车原型：HiNa 和 Sehol E10X
中国企业海能电池科技为江淮和悦 E10X 城市汽车配备了 23.2 千瓦时 镎离子电池组（145 Wh/kg），可提供 230 公里 续航时间，充电 30 分钟可获得 0-80% 的电量。在中等气候条件下进行的测试表明，1000 多次循环充电后，功率输出始终如一，容量也没有衰减。
这些试点项目凸显了负离子目前的优势：固定能源和城市范围内的电动汽车，而锂离子则继续主导高性能和长距离应用。
未来展望与创新
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固态负离子 对陶瓷和聚合物电解质的研究旨在提高安全性和能量密度。
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先进的阴极： 聚阴离子材料（如 Na₃V₂(PO₄)₃）的电池目标值 > 200 Wh/kg。
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市场预测：
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锂离子电池：~ 8% cagr（2025-2035 年）。
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负离子：~ 随着生产规模的扩大和成本的下降，年复合增长率约为 25%。
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CATL 等主要制造商计划到 2025 年实现 Na-ion 的大规模生产，年产量可能达到几千兆瓦时。随着这两种技术的发展，预计纳离子将成为锂离子的补充，特别是在成本、安全性和资源可持续性至关重要的领域。
常见问题
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钠离子电池和锂离子电池的性能有何不同？
钠离子电池的能量密度通常为 130-160 Wh/kg，而锂离子电池为 200-300 Wh/kg。虽然锂离子电池在能量密度方面处于领先地位--非常适合长距离电动汽车和紧凑型电子产品，但钠离子电池的性能足以满足固定存储和入门级电动汽车的需求。 -
钠离子电池比锂离子电池更安全吗？
是的。与锂离子电池相比，许多镎离子化学物质使用不易燃的水性或阻燃电解质，并能承受更高的温度（> 300 °C），从而大大降低了热失控风险，因为锂离子电池可能在 ~ 220 °C 以上点燃。 -
目前哪些应用最适合钠离子技术？
镍离子电池在电网规模的能源存储（低成本和循环寿命比峰值能量密度更重要）以及城市或短程电动汽车、电动自行车和备用电源系统中表现出色。 -
哪种类型的电池每千瓦时成本较低？
目前，钠离子电池组的成本比锂离子电池组低约 10-15 %（大约 $80-90/kWh 对 $115/kWh ），这要归功于丰富、低成本的钠盐和更简单的阴极材料。 -
与锂离子电池相比，钠离子电池的使用寿命通常有多长？
商用钠离子电池在 80 % 放电深度下可达到 2,000-4,500+ 次循环，与许多锂离子化学制品（1,000-3,000 次循环）相当，甚至超过它们。一些水性钠离子系统声称可在电网中使用 50,000+ 次。 -
钠离子技术是否更环保？
是的。与富含钴和镍的锂离子系统相比，负离子系统依赖于铁和锰--低毒、富含地球的金属--以及普通的盐提取，从而减少了采矿影响并提高了可回收性。 -
钠离子预计何时进入主流商业用途？
CATL 等主要制造商计划到 2025 年实现量产，随着规模和成本的提高，到 2026-2027 年将在固定存储和小型电动汽车领域进行更广泛的商业部署。
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结论
锂离子仍然是满足高能量、高功率需求的首选（智能手机、远程电动汽车），而钠离子则在成本敏感、安全关键的领域（电网存储、城市电动汽车）大放异彩。随着钠离子技术的成熟，它将与锂离子并驾齐驱，扩大消费者的选择范围，推动清洁能源的转型。
