作為其中一種功能最豐富的能源儲存技術，可充電的電化學電池在我們從依賴化石燃料轉向使用可再生能源以打造更綠色地球的過程中，扮演了極關鍵的角色。它們是在降低車輛運輸和電網部門的二氧化碳排放方面的重要工具。而作為最先進的能源儲存技術之一，鋰離子電池的使用在過去的幾十年中有著顯著的增長。相較於其他類型的電池技術，包括鎳金屬氫化物、鉛酸電池以及鎳鎘電池，鋰離子電池不只提供了許多顯著的優勢，也實現了一些改進。

因此，鋰離子技術越來越多地被用於生產製造：從小型電子設備到智慧型手機和筆記型電腦，再到車輛和其他更多的應用。

如今，當我們談及電池技術，鋰無疑受到了大量的關注。然而，在元素周期表上位於其下方的鈉，卻有望在未來部分替代它。在這篇部落格文章中，將針對其原因進行分析。

 

什麼是鈉離子電池？

鈉離子電池的研究起源於1980年代，因此這項技術的發展仍有很長的路要走。經過將近四十年的進步，隨著技術的快速發展，鈉離子電池已經開始引起人們的注意力。相較於鋰離子電池，鈉離子電池在許多應用上雖然可能無法有更好的表現，但其性能卻與鋰離子電池極為接近，且不存在供應鏈上的問題。

隨著對鋰離子電池需求的飆升，鋰碳酸鹽的價格在2020年至2022年期間翻漲了近10倍（來源：Trading economics）。相較於電池內鋰和其他一些必需的陽極活性材料元素，鈉的供應量幾乎是無窮無盡。鈉的廣泛存量使其成本顯著降低，且來源更為環保。鈉在地殼內的濃度約為鋰的500倍，且還可以從海水中提取。此外，鈉離子電池更加安全，因其不易燃，對於溫度變化的反應較鋰離子電池來得小。

 

鈉離子電池和鋰離子電池之間有什麼區別？

由於採用不同的電解質和化學物質，鈉離子電池的電極材料的化學和電化學特性，與鋰離子電池有所不同。其主要差異在於鈉的摩爾質量較高（23 g mol-1 vs 6.9 g mol-1 for Li+）及離子半徑較大（1.02 Å vs 0.76 Å for Li+）。再者，鈉離子電池的陽極材料與鋰離子電池也有所不同。目前，鈉離子電池的陽極材料主要有三種類型：氧化物、多陰離子和普魯士藍類比物。然而，至今尚未有明顯趨勢顯示哪一類陽極材料將是商業化成功的主要目標。儘管如此，鈉離子電池的結構和工作原理與鋰離子電池相似。在兩種電池充電滿電时，離子都會透過電解液從陽極移向陰極，而在離子朝反方向移動時則會放電。

鈉電池更好嗎？

鈉離子電池擁有一些顯著的優點，會對鋰離子電池形成挑戰。這些包括：

  • 鈉鹽作為原材料的供應豐富且價格較低
  • 鈉鹽的特性允許使用濃度較低的電解液
  • 可以使用鋁箔作為負極的電流集電器，進一步降低了成本
  • 在室溫下，只需15分鐘即可充電超過80％
  • 可在廣泛的溫度範圍內運作，對極低溫度的影響較小
  • 電池材料更便於回收再利用，使鈉離子電池更為環保與永續

就如同任何電池化學技術一樣，鈉離子電池也面臨著一些問題。其最主要的缺點在於，一般來說，鈉離子電池的能量密度低於鋰離子電池。這意味著，電動車如果裝置了鈉離子電池，在單次充電後能行駛的距離將比裝置了同樣體積的鎳鈷鋁氧化物（Li(NiCoAl)O2, NCA）或鎳錳鈷氧化物（Li(NiMnCo)O2, NMC）類型電池的電動車較短。然而，最近開發的鈉離子電池提供的能量密度已接近於廣泛應用於電動車的鋰鐵磷酸鹽（LiFePO4, LFP）類型電池，並且我們有理由相信，在不久的將來其性能還會有進一步的提升。

電池開發需要哪些分析技術？

對電池及其組件的評估需要多種分析方法，來研究不同規模的材料和組件表面。電池材料分析中應用的分析技術：

X射線光電子譜（XPS）
電子顯微鏡（SEM＆TEM）
分子光譜學，如FTIR，Raman和NIR
質譜，如ICP-OES＆ICP-MS, GC-MS, IC-MS
微型計算機斷層掃描（microCT）
核磁共振（NMR）
X射線衍射，X射線螢光
流變學，黏度學和擠壓

從此處了解如何在電池材料測試中進行元素和結構分析。

在此處了解更多有關電池材料分析組合的信息 >

結論

如今，鈉離子電池被視為最有潛力的鋰基電池技術的替代品之一。鈉離子電池的主要優勢是其可持續性——這對於一個致力於擺脫以碳為基礎的能源的世界來說非常重要。不含鈷陰極的鈉離子電池可能成為鋰離子電池的可持續的低成本替代品，用於如短程電動車和大規模能源儲存（ESS）等應用—同這個正在不斷地轉向風能、太陽能和水電能的全球趨勢契合。此外，鈉離子電池可以緩解對電動車所需鋰離子電池原材料的供應壓力，並因其較低的環境影響在各個應用領域和相關法規上發揮關鍵的作用。

中國的電池龍頭企業CATL已經推出了他們的第一代鈉離子電池產品，同時也有許多初創公司正在竭力提升他們的鈉離子電池生產能力。自2011年起，英國的Faradion一直專注於鈉電池的研發與製造。除此之外，來自中國的HiNa Battery Technology，法國的Tiamat，瑞典的Altris AB，以及美國的Natron Energy等，都正在努力將鈉離子技術商業化。因此，我們可以預期在未來幾年中，這種類型的電池將會越來越常見。

更多資源

  1. 網頁：電池製造的化學分析
  2. 手冊：電池解決方案手冊-有助於製造更好電池的分析技術
  3. 網站：Thermo Scientific工具和儀器支持的先進電池技術
  4. 網站：電池材料測試的元素分析解決方案
  5. 網路研討會：PowerUp網路研討會-鋰離子電池分析和測試的解決方案
  6. 部落格文章：鋰離子電池製造和質量分析的挑戰-第一部分
  7. 部落格文章：鋰離子電池製造和質量分析的挑戰-第二部分
  8. 研究文章：鈉離子電池與鋰離子電池有何可比性？，《ACS Energy Lett. 2020, 5, 11, 3544-3547》
  9. 研究文章：設計可持續鈉離子電池的陽極材料，《MRS 能源 & 可持續性 第九卷，183-197頁 (2022)》

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