锂离子电池随处可见。它们不仅为耳机、手机和汽车供电，也是储存可再生能源的大型设施的备用电源，用以应对太阳能或风能不足的情况。但锂本身相对稀缺，只有少数几个国家供应该资源。一个依靠可再生能源的世界，其所需的电池容量应达到现有水平的200倍，而这或许就要求一种不一样的电池。“我不知道我们能否仅靠锂离子实现此目标。”芝加哥大学的电池化学家孟颖说道。
已有几十年历史的锂离子电池技术似乎正在迎接挑战。有没有一种可能，用钠离子而非锂离子来携带和储存电荷的电池，也就是钠离子电池，未来会成为主流？
钠无处不在，海水中和盐矿里都有其身影，因此它的供应和成本不是问题。但此金属在储存电荷方面不如锂，因为钠离子是锂的三倍大，这影响了它们进出现有电池电极的能力。世界各地的实验室都在开发新的电极材料以解决这方面问题。回顾过去数月，我们看到有几个研究小组介绍了能量密度与低端锂电池相当的钠电池。哥伦比亚大学电池化学家丹 · 斯坦加特（Dan Steingart）表示：“该进展令人惊叹。”与此同时，商用钠离子电池开始为电动汽车、摩托车供能和电网电力存储等贡献力量。
不过，用法兰西公学院固态化学家让-马里 · 塔拉斯孔（Jean-Marie Tarascon）的话说：“我们还没到那步。”这种电池的性能还远没达到锂离子电池的最佳水平。现阶段依然缺少能驱动转变的经济激励：锂短缺依然只是个理论上的问题；实际上，由于供应过剩，此种金属的价格于过去3年间下跌了70%。
与锂电池一样，钠电池的工作原理是将带正电的离子传递到一对电极之间，电极之间由离子导电电解质隔开。在充电过程中，电子输送至带负电的阳极（负极）；金属离子被吸引，从带正电的阴极（正极）流出，通过电解质，运动至阳极。在放电过程中，电子从电池中脱出，金属离子则由阳极返回阴极。
由于钠离子大于锂离子，故充电时能挤入阳极以储存电荷的钠离子更少。设计者需要做更大规模的电池来容纳相同电量，这增加了成本和体积。钠电池的存储容量甚至还达不到最好的锂电池的一半，后者每千克可储存超过300瓦时的电量（即电池能量密度达300 Wh/kg以上）。不过美国阿贡国家实验室的电池化学家徐桂良表示：“有多种途径可解决该难点。”
一方面是改变阳极成分。大多数锂离子电池采用石墨材料，后者紧密的层状结构倾向于排斥钠离子。许多研究人员将目光投向了另一种碳——难以石墨化的硬碳，具有孔隙结构，而钠离子可以进入这些孔隙。
不幸的是，这些孔隙也会减少阳极的储能总量。科学家则发现，向阳极添加锡能有所帮助。当锡稳定于碳载体上时，每个锡原子可结合多达3.75个钠离子，这就可以提升阳极容纳钠的水平，进而提高储存能量的能力。例如，美国圣地亚哥初创公司UNIGRID开发的钠电池能量密度为170 Wh/kg，虽然这仍然低于低端锂电池的200 Wh/kg，但用休斯敦大学钠离子电池专家姚彦的话说：“它看起来非常令人兴奋。”
另一方面的改进是对阴极成分的调整。电池阴极通常由金属氧化物制成，旨在更好地储存钠，同时使其更好地流动。最受欢迎的一种新材料是钠、钒、磷和氧的混合物（NaVPO），倾向于形成层状结构，允许钠原子轻松进出。
目前，NaVPO的能量密度相较锂电池阴极处于中等水平。不过由休斯敦大学化学家皮埃雷马努埃莱 · 卡内帕（Pieremanuele Canepa）领导的研究团队近期围绕NaVPO晶体结构，通过计算机建模和X射线衍射给出了又一种颇具前景的调整方案。根据2024年10月23日发表于《自然-材料》（Nature Materials）杂志上的报告，卡内帕与同事不仅合成了新材料，还将其融入钠离子电池阴极，阴极的能量密度比过往的NaVPO设计高15%。
此外，还有一种更激进的方法则是用有机物制造阴极。有机物也可形成能容纳与释放钠离子的层状结构，不过它们往往会因电池电解质的存在而分解。在2025年2月5日刊载于《美国化学会志》（JACS）的一项新研究中，麻省理工学院的化学家米尔恰 · 丁卡（Mircea Dinc?）等人介绍称，他们创造出一种更耐用的层状有机阴极，称为TAQ。此种材料不仅历经数千次充电和放电循环而保持稳定，其能量密度更是有史以来制造的所有钠离子阴极中最高的。卡内帕称其为“一件美丽的化学作品”。
2024年11月，全球最大的电池制造商宁德时代推出第二代钠离子电池，并称该产品的电池能量密度达200 Wh/kg，高于第一代电池的160 Wh/kg。与此同时，宁德时代的竞争对手之一比亚迪表示，他们正建设一家钠离子电池工厂，争取到2027年实现30吉瓦时的年产能，部分用于可再生能源存储。放眼全球，另有至少6家初创公司也已入局，在电池化学中吐故“钠”新。
不过，UNIGRID首席执行官达伦 · 谭（Darren Tan）表示：“关于电池设计和性能的细节缺乏透明度。”
当然，钠电池发展的障碍不仅仅是技术上的。斯坦加特认为，现阶段锂的低成本使钠的主要卖点略显黯然。钠离子电池制造商的规模还太小，无法从规模经济中获益。以钠电池领域的先驱之一Northvolt为例，这家曾被誉为“欧洲电池之光”的瑞典企业扛不住现金压力，已于2024年11月申请破产。
政治是另一个不确定因素。2025年1月，美国新任总统唐纳德 · 特朗普上任后，立即宣布停止联邦政府对风能和太阳能项目的支持，此举可能导致部署大规模备用电池系统的计划被搁置。
斯坦福大学材料科学家阙宗仰（William Chueh）表示，技术进步将决定钠离子电池的成本效益。1月13日，阙领衔同事在《自然-能源》（Nature Energy）杂志发表论文称，他们评估了6000多种生产钠离子电池的路线图并得出结论：要想与低成本锂离子电池一较高下，研究者需取得多方面突破，包括摆脱当前钠电池制备所涉及的所有昂贵材料，例如镍和钒。
斯坦加特相信进展即将到来。至于对钠离子电池的基础化学的理解，“我们还处于早期阶段”。
资料来源 Science