面对能源波动与气候变化的全球性议题，电化学储能技术在过去半世纪实现了关键突破。20世纪70年代起，对非化石燃料储能的研究推动了锂基电池的发展，其中锂离子电池凭借超过99.9%的往返法拉第效率、高能量密度及约90%的整体能效，成为便携电子、电动汽车及可再生能源储能的核心。然而，锂资源有限和成本高昂的问题日益凸显，为此钠离子电池作为替代路径受到重视。钠资源丰富、成本低廉，且化学体系与锂离子电池兼容，尽管能量密度较低，但其可持续发展潜力巨大。当前钠离子电池正极主要采用层状氧化物、聚阴离子化合物或普鲁士蓝类似物，负极以硬碳为主，电解质多为有机碳酸酯体系。产业层面，TIAMAT、HiNa、宁德时代、FARADION等企业已推动其应用于电动工具、电网储能及电动汽车示范。尽管技术迁移面临如固态电解质界面稳定性等挑战，但在社会对绿色储能迫切需求的驱动下，钠离子电池正加速从研发走向市场应用，成为储能多元化发展的重要方向。
【工作介绍】
在此，法国法兰西公学院Jean-Marie Tarascon教授等人系统总结了当前钠离子电池主要依靠三种不同的化学体系，各体系均具有独特的特性，在性能表现与经济性方面各有考量。本综述旨在为研究人员指明尚存的科学挑战，同时为使用者提供客观现实的指标参考，以帮助其根据实际需求选择合适的钠离子电池技术，也能帮助产业界为其目标应用选择最适宜的化学体系。与成熟的锂离子技术相比，钠离子技术虽尚处起步时期，但已开始进入市场并展现出巨大潜力。
相关研究成果以“From lab to market with sustainable sodium-ion batteries”为题发表在Nature sustainability上。
【内容表述】
1、NVPF/HC化学体系
NVPF/HC是钠离子电池中重要的聚阴离子正极体系之一。2012年，研究者因NVPF材料具有优异的结构稳定性、高工作电压（>3.8 V）与离子电导率而选择它，但其容量相对有限（约120 mAh g-1）。为提升容量，尝试了两种主要路径：一是通过高电压提取第三个钠获得180 mAh g-1容量，但导致平均电压降低；二是通过球磨制备富钠相以补偿SEI消耗，然其工艺难以放大。基于该体系开发的18650圆柱电芯展现出优良的倍率性能与循环寿命（25°C下超6000次），并通过优化碳包覆与电解液添加剂，有效抑制了高温下的容量衰减与自放电。TIAMAT公司已于2023年将此项技术商业化用于电动工具，并计划建设吉瓦级工厂。然而，该体系因使用有毒性的钒且能量密度仍具提升空间而受到质疑。相比之下，以铁为基础的NFPP材料虽更环保且寿命长，却因电压较低及非活性组分较重而导致能量密度不如NVPF。总体而言，NVPF/HC体系凭借其高功率、长寿命特性在特定应用领域确立了竞争优势，但向更可持续、更高能量密度方向发展仍是关键挑战。
2、钠基层状氧化物/HC化学体系
钠基层状氧化物作为钠离子电池的正极材料，具备高能量密度和低成本的核心优势，但其化学体系复杂且存在固有挑战。其结构主要分为O3型和P2/P3型，差异源于钠离子的配位环境与含量。这类材料在充放电时会发生钠离子驱动的多步相变，并伴随显著的体积变化，这是导致其循环性能衰减的根本原因。从材料体系发展看，早期研究的铁锰基材料虽成本低但循环性差；随后转向性能更优但成本与毒性更高的镍锰基体系；目前通过铜、钛等元素进行多元共取代成为主流策略，能有效抑制相变、提升循环稳定性，例如HiNa公司开发的相关电芯已实现约200 Wh/kg的能量密度和良好的长循环性能。然而，所有层状氧化物都无法避免结构不稳定这一根本局限，其循环寿命和容量保持率通常不及结构稳固的聚阴离子化合物（如NVPF）。尽管P2相结构稳定性更佳，但因其容量偏低而应用受限。未来，通过高熵设计、阴离子氧化还原等新策略有望进一步提升容量，但材料合成能耗高、需借助表面修饰与电解液优化来延长寿命等实际问题，仍是其大规模商业化的关键挑战。
【全文总结】
综上所述，评判电池技术不应仅局限于每瓦时成本等短期经济指标，而需基于更全面的视角。正如磷酸铁锂体系曾因能量密度劣势被冷落，却凭借安全性与系统创新成为市场支柱一样，钠离子电池虽在能量密度上不及锂电，但其在安全性、功率性能、环境效益及供应链稳定性等方面的综合优势，将在可持续发展和地缘政治因素日益重要的未来场景中显现关键价值。应避免重复忽视磷酸铁锂的教训，尤其对于已构建稳定供应链的NFPP/HC等新兴体系，即使能量密度较低，也可能快速主导钠离子市场。本文旨在为不同钠离子化学体系提供客观参考，助力研发与产业化选择。钠离子技术虽仍处于发展早期，但已展现出进入市场的活力与巨大潜力，其未来前景值得期待。
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