第1章 钠离子电池的发展历程和现状
1.1 新能源的兴起和发展
18世纪60年代的第一次工业革命使人类进入了“蒸汽时代”，煤炭成为能源的主要来源。19世纪60年代后期开始的第二次工业革命则将人类带进了“电气时代”，石油和天然气推动了科技与文明的快速发展。第三次工业革命始于20世纪40年代后期，以电子信息业的突破与发展为标志，人类正式进入了“信息时代”，电力在人类社会变得不可或缺，石油和天然气等一次能源也逐渐在全球能源消费中占据垄断地位。每一次的工业化过程，不仅更新了人们的生产方式，而且也使整个社会的能源消费结构随之改变。
传统的煤炭、石油和天然气等资源因储量有限，已经难以完全满足人类快速发展的需求。据统计，2018年全球石油需求依旧稳步上升，每日需求量在2017年基础上增加了140万桶，煤炭消费量增量为1.4%产量增量为4.3%的增速均创近几年新高，天然气的全球消费量和产量均实现了5%以上的增长[1]。在这一基础上，全球一次能源消费增速提高至2.9%，达到了2010年以来的最高增速。如图1-1所示，中国在当前一次能源的消费中占据了重要地位。目前，我国不仅是全球最大的一次能源消耗国，也是全球最大的石油和天然气进口国，这一方面表明我国现代化建设的发展迅速，但另一方面也说明我国在能源上存在严重的对外依赖性。因此，当前中国面临的能源问题不仅关系经济社会的可持续发展，更关乎国家的能源安全性和独立性。
图1-1 一次能源在世界能源结构中的地位[1]：（a）全球一次能源消费增长；（b）2018年各国对一次能源消费增长的贡献
能源消费需求的快速增长主要源于人们对电能需求的快速上升，然而发电系统的燃料结构却并没有得到明显的优化，仍然以化石燃料为主，化石燃料在2018年的发电量占比和20年前相比几乎没有发生变化，这也造成了一系列的环境问题（如酸雨、雾霾和温室效应等）。因此，发电系统如何降低环境负面效应，同时满足高速增长的电能需求，将是未来20年国际社会面临的主要挑战之一。面对这一严峻的形势，2018年6月，欧盟制订了“地平线欧洲”框架计划，明确支持可再生能源存储技术和有竞争力的电池产业链，其中气候、能源和交通领域的研发经费达150亿欧元。2018年7月，日本经济产业省发布了《第五期能源基本计划》，经济产业省下属的新能源与工业技术开发组织（NEDO）通过了“创新性蓄电池——固态电池”开发项目。2018 年 9 月，德国公布《第七期能源研究计划》，计划在未来5年内投入64亿欧元，支持多部门通过系统创新推进能源转型，明确支持对电力储能材料的研究。针对能源发展现状和国际形势，我国相继出台了《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》和《可再生能源“十三五”规划》等文件，以加强对可再生能源发展的支持与引导。目前，风能和太阳能等新能源已经建立了较为成熟的产业体系（见图1-2），可再生能源发电量在电力行业的渗透率也在逐渐上升。就2018年而言，可再生能源发电量达1.87×1013kW·h，占全部发电量的26.7%。尽管可再生能源发电取得了一定的发展，但是它们都具有不连续、不稳定的缺点；此外，与发电体系配套的储能设备的缺乏使其很难进行并网利用。这些问题导致目前的弃电现象十分严重，仅2018年我国的弃电量就达到了1022.9×1012kW·h。因此，想要提高可再生能源的利用率就必须发展规模化储能设备；换言之，储能系统的建设和发展已经成为解决能源问题的关键。
图1-2 新能源产业体系
目前储能方式主要可以分为物理储能和化学储能[2]。物理储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能等。其中，抽水蓄能是目前技术最为成熟、应用最为广泛的储能方式，但是由于其建设成本高、周期长、地理条件约束多等缺点，无法满足大规模储能和智能电网建设的需求。因此，能量密度高、环境要求低且环境友好性强的化学储能方式获得了广泛关注。其中，锂离子电池、高温钠硫电池、液流电池和镍氢电池都具有实际应用前景[3]。
以锂离子电池为代表的二次电池具有能量密度高、储能效率高、无记忆效应、自放电小、循环寿命长和适用范围广等诸多优点。目前，锂离子电池已经在小型电子产品、电动汽车和航空航天等领域成功应用。与此同时，锂离子电池的研究方向也逐渐向超高能量密度、超长使用寿命、超轻便携形式等方向不断发展。如图1-3所示，虽然锂离子电池经过很长时间的发展，但是其成本仍然较高[1,4]。并且从全世界范围来看，锂资源相对集中于少数国家，整体储量有限，开采条件比较苛刻，这将影响锂离子电池应用于大规模储能的推进和发展[5]。
图1-3 2001—2018年锂离子电池原材料成本走势[1,4]：（a）钴资源价格变化；（b）碳酸锂资源价格变化
为了解决这些问题，近期的研究都着重于寻找新的储能方式来替代目前的化学储能设备，其中，钠离子电池由于具有较好的综合性质引起了研究者的极大关注。钠盐储藏量丰富，并且钠离子电池具有与锂离子电池相似的化学性质，早在20世纪七八十年代，人们就开始对锂离子电池和钠离子电池进行研究，但由于锂离子电池商业应用的快速发展，钠离子电池的研究速度明显放缓[6,7]。当时，钠离子电池的材料质量、电解质和手套箱的发展水平都不足以处理金属钠，因此难以观察钠金属的电极性能。随着技术的发展，钠离子电池的研究也迎来了新的发展高潮。近年来，关于钠离子电池的SCI论文发表数量成倍增长（见图1-4），并且钠离子电池专利数也同步上涨，科学问题的解决必将带动实际生产的发展。
现今，钠离子电池的开发受到了全世界各国的关注。中国已经逐渐成长为钠离子电池技术研发的大国和强国。中科海钠、浙江钠创、辽宁星空等钠离子电池企业的创立为钠离子电池的商业化开辟了新道路。相信在不久的将来，钠离子电池有希望在中国率先实现商业化，为新能源的发展贡献力量，为国家能源安全提供一份有力的保障。
图1-4 近年来钠离子电池SCI论文发表数