《储能材料与器件智能制造技术》课件-3.1.3 锂离子电池与钠离子电池

《储能材料与器件智能制造技术》锂离子电池与钠离子电池当我们用手机与世界实时互联，驾驶电动汽车穿梭城市，或是依靠储能电站平衡电网负荷时，都离不开高性能电池的能量支撑。在众多电池技术中，锂离子电池凭借高能量密度与长循环寿命，成为当下消费电子、新能源汽车等领域的“主力军”；而钠离子电池则以资源丰富、成本低廉、低温性能优异的特点，被视为未来大规模储能和低端动力领域的“潜力股”。这两种电池虽同属离子电池家族，却因材料体系与工作原理的差异，在不同场景中发挥着独特价值。深入了解它们的特性与应用，不仅能帮助我们把握能源技术发展趋势，更能窥见人类在可持续能源领域的不懈探索。锂离子电池通过锂离子在正负极之间来回嵌入和脱嵌进行能量释放和储存。锂离子电池的正极通常用具有能容纳锂离子的金属氧化物粉末涂覆在铝箔上制成，负极通常是用具有层状结构的碳材料涂覆在铜箔上制成，电解液由锂盐和碳酸酯类物质组成。锂离子电池的结构及充放电原理如图所示。锂离子电池充电时，正极中的锂离子通过电解质迁移到负极，与电子结合。以钴酸锂电池为例，其充电时的正极反应为负极反应为总反应为以钴酸锂电池为例其放电时的正极反应为在这个充电反应中，锂离子经电解质从正极迁移到负极，并在负极上嵌入石墨层之间的空隙中，形成锂离子的插层化合物。这个反应是可逆的，锂离子电池放电时，负极炭材料中的锂放出电子，电子经外电路流向正极。锂离子通过电解质迁移到正极，与电子结合。负极反应为总反应为锂离子电池具有电压高，重量轻，能量密度大，自放电率低，环境污染小，充放电速度快，使用温度范围宽，循环寿命长等优点，综合效率达93%以上，响应时间达毫秒级，是一种综合性能极为优秀的储能方式，广泛应用于各种移动式用电设备以及大型储能电站。锂离子电池的缺点是成本比较高，不耐过充过放，安全性比较差。锂离子电池的性能很大程度上决定于电极材料的性能，尤其是正极材料。正极材料需要具有锂离子迁移通道的晶体结构。具有这样结构的有层状结构、橄榄石结构和尖晶石结构。目前应用最广泛的正极材料有的LiCoO2、LiNixCoyMn1-x-yO2、尖晶石结构的LiMn2O4、橄榄石结构的LiFePO4等。开发新型高比能量高安全性而又廉价的正极材料对锂离子电池的发展至关重要。锂离子电池其他组成部分还有负极材料、隔膜、电解液及外壳等。锂离子电池材料主要包括正极材料、负极材料、电解液、隔膜四大主材及外壳等辅材，如表所示。

组件材料特性/作用实例电极正极活性物质过渡金属氧化物电池容量LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiNi1-x-yCoxMnyO2、LiFePO4负极活性物质碳材料、锂硅锡材料电池容量天然石墨、人造石墨、中间相碳微球、硬碳、软碳、Li、Si、Sn导电剂碳电子电导乙炔黑黏结剂聚合物粘结PVDF、SBR/CMC集流体金属箔收集电流铜箔、铝箔隔膜隔膜聚合物隔离正负极多孔聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）电解液锂盐有机或无机锂化合物离子导电LiPF6、LiSF4、LiAsF6、LiClO4、LICF3SO3、Li(CF3SO2)2N电解质溶剂有机溶剂溶解锂盐碳酸乙烯酯(EC)、碳酸丙烯酯(PE)、碳酸二甲酯(DMC)、碳酸二乙酯(DEC)、碳酸甲乙酯(EMC)添加剂有机化合物SEI膜形成碳酸亚乙烯酯(VC)、联苯(BP)其他极耳金属电极连接镍极耳外壳钢、铝、铝塑膜容器钢壳、铝壳、铝塑膜安全元件电子器件过充过放保护安全阀、正温度系数(PTC)装置、保护电路模块(PCM)钠离子电池与锂离子电池的结构与工作原理非常相似，是以钠离子在正负极之间来回嵌入和脱嵌进行能量释放和储存的。由于钠离子电池与锂离子电池结构和工作原理非常相似，其生产工艺也很相似。钠离子电池正极材料可分为层状金属氧化物、聚阴离子化合物和普鲁士蓝类化合物体系。钠离子电池负极材料有硬碳，软碳，钛基氧化物以及合金等。目前商业化的钠离子电池负极以硬碳材料为主。目前最常见的有机电解液系的钠离子电池的电解液与锂离子电池的电解液成分非常相近，溶剂不变，仅是溶质盐从六氟磷酸锂改为六氟磷酸钠，隔膜完全可以使用和锂离子电池一样的隔膜。与锂不同，由于铝和钠在低电位不会发生合金化反应，钠离子电池正极和负极的集流体都可使用廉价的铝箔而不是成本更高的铜箔。钠离子原料廉价易得，因而相比于锂离子电池其成本优势明显。钠离子电池的缺点是循环性能差，工作电压低，能量密度低。钠离子电池目前尚处于起步阶段。锂离子电池锂离子电池凭借高能量密度和成熟的产业链，在消费电子领域占据统治地位，全球90%以上的智能手机、笔记本电脑都采用锂离子电池供电。在新能源汽车市场，锂离子电池同样是主流选择，特斯拉、比亚迪等车企的主力车型均搭载锂离子电池。此外，在5G基站、数据中心等对能量密度和充放电速度要求较高的储能场景中，锂离子电池也发挥着关键作用。钠离子电池钠离子电池则聚焦于大规模储能和对成本敏感的动力领域。在电网侧，钠离子电池储能系统可用于调峰、调频，平滑可再生能源发电的波动性；在用户侧，适用于家庭储能、低速电动车（如电动三轮车、电动自行车）等场景。例如，在寒冷的北方地区，钠离子电池电动自行车可有效避免低温环境下的续航骤减问题；在储能电站中，其低成本优势有助于降低储能系统的建设与运营成本，推动可再生能源的消纳与普及。为提升性能，锂离子电池和钠离子电池的研发持续推进。锂离子电池领域，高镍三元材料、固态电解质等技术不断突破，旨在进一步提高能量密度与安全性；钠离子电池则致力于开发新型电极材料、优化电解液配方，以提升能量密度和循环寿命。同时，两种电池技术呈现融合发展趋势，部分企业探索“锂钠混合电池”，结合二者优势，满足不同场景需求。此外，随着环保要求提高，电池回收技术也成为研发重点，通过物理、化学方法实现锂、钠等金属的高效回收，降低资源依赖与环境污染。锂离子电池与钠离子电池，如同新能源赛道上的双引擎，以各自的技术特性驱动着不同领域的能源变革。从智能终端的便携化，到电动汽车的普及，再到全球能源结构的转型，它们的身影无处不在。尽管当前锂离子电池占据