宁德时代发布钠离子电池事件，引发了行业和资本市场有关下一代电池的讨论，这里结合最新论文综述，进行一些分享。

“摇椅电池”

汽车动力电池采用的是二次化学电池，其本质都是氧化还原反应，充电时离子从正极脱出，移动到负极，得到电子并嵌入其中，放电的过程相反。

依靠离子在正负极之间的脱出和嵌入，以实现充放电反应，被称为“摇椅电池”。

摇椅电池的能量密度主要由比容量和正负极电势差（电压）两个因素决定。

在元素周期表中，锂金属是最轻的金属，意味着较高的克比容量（3861mAh/g）；同时锂也具有较高的氧化还原电位（标准电极电位-3.04V），意味着与正极成组后可以输出较高的电压。

以上的两个特性，使得锂离子电池成为了产业化最快的二次电池。

但近几年来，随着锂离子电池迅速发展，遇到了能量密度提升缓慢、成本居高不下以及温度适应范围窄等瓶颈，特别地，锂资源在地壳中含量低且分布极不均匀，主要集中在南美，长期看无法满足大型储能设备对低成本和高效率的高增长需求。

（不同金属元素在地壳中储量）

钠离子和钾离子电池上位

要实现“摇椅”功能，位于元素周期表左上方的金属元素都是二次电池潜在的应用对象。

考虑到地壳储量、原子质量以及氧化还原电位，与锂同处于第一主族的碱金属元素钠和钾，被认为是锂离子电池最有可能的替代品。

如上图中所示，金属钠的氧化还原电位为-2.7V，金属钾的氧化还原电位为-2.9V，两者均接近锂金属的-3.0V。

此外，钠和钾不与铝形成合金，因此在钠离子电池和钾离子电池中，可以采用价格更低的铝箔作为正负极的集流体，进一步激发了对钠离子电池等兴趣。

钠离子和钾离子电池的主要瓶颈

为什么在80年代起与锂离子同步发展的钠离子和钾离子会逐步淡出舞台中央？

首先是原子半径，钠为0.95，钾为1.33，锂只有0.68，过大的半径在嵌入负极过程中，会导致负极材料晶体结构崩塌。

特别是钠离子电池，钠离子在进行多次脱嵌后，现有体系最常用负极石墨层会因体积变化会发生坍塌，无法实现多次充放电。

其次，钠的氧化还原电位比较低，会导致输出的电压较低，最终能量密度不及锂离子电池。

找到合适的正负极材料以及电解液是钠离子产业化电池的关键。

目前商业化钠离子电池的负极都是硬碳，而正极材料选择集中在层状过渡金属氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类似物三种材料，目前也都已经实现了商业化生产。

而针对钾离子电池，由于钾和锂的电位更为接近，在高电压上相比于钠更有优势。

当前石墨作为锂离子电池主要负极材料，在试验结果中钠离子不能嵌入到石墨层状结构中，但是半径更大的钾离子却可以嵌入石墨，当前还无法用准确的机理l哎解释。

此外，钾离子在电极材料体相较低的扩散率限制了其倍率性能，其电解质会遭受严重的分解和一些副反应，这些在技术上都需要解决。

汽车人参考小结

下图对比了钾离子电池、锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、铅酸电池性能和前景，它们各具优点。

根据上文中锂、钠、钾金属特性，锂元素储量低，成本高，适合做成对成本不太敏感的小型移动能源电池，如手机、相机、笔记本电脑，以及当前的电动汽车。

而钠和钾元素储量高，成本低，适合做成对体积和质量不太敏感，但对成本要求高的储能电池，如电动巴士、大型储电站等。

而关于钾离子的研究，很多都是在研究钠离子电池偶然获得的，由于有钠离子，钾离子的研究一直被忽视，钾离子电池有朝一日或许也能“弯道超车”。

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