鈉離子電池的概念起步于上個世紀80年代與鋰離子電池幾乎同時起步。鈉離子電池的工作原理與鋰離子相似，充電時，Na+從正極材料中脫出，經過電解液嵌入負極材料，同時電子通過外電路轉移到負極，保持電荷平衡;放電時則相反。

原理上，鈉離子電池的充電時間可以縮短到鋰離子電池的1/5。鈉離子電池最主要的特征就是利用Na+代替了價格昂貴的Li+，為了適應鈉離子電池，正極材料、負極材料和電解液等都要做相應的改變。相比于鋰元素，鈉離子電池的優勢在于資源豐富，鈉資源約占地殼元素儲量的2.64%獲得鈉元素的方法也十分簡單，因此相比于鋰離子電池，鈉離子電池在成本上將更加具有優勢。

雖鈉離子電池能量密度不及鋰離子電池，但就目前碳酸鋰價格高漲的形勢來看，鈉離子電池仍然具有十分廣泛的應用前景：對于能量密度要求不高的領域，在電網儲能、調峰，風力發電儲能等方面應用前景廣闊。未來鈉離子電池將逐步取代鉛酸電池，在各類低速電動車中獲得廣泛應用，與鋰離子電池形成互補。

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，是利用鈉離子在正負極之間嵌脫過程實現充放電。充電時，Na＋從正極脫出經過電解質嵌入負極，同時電子的補償電荷經外電路供給到負極，保證正負極電荷平衡。放電時則相反，Na＋從負極脫嵌，經過電解質嵌入正極。在正常的充放電情況下，鈉離子在正負極間的嵌入脫出不破壞電極材料的基本化學結構。

鈉離子電池工作原理示意圖

（1）鈉鹽原材料儲量豐富，價格低廉，采用鐵錳鎳基正極材料相比較鋰離子電池三元正極材料，原料成本降低一半；

（2）由于鈉鹽特性，允許使用低濃度電解液（同樣濃度電解液，鈉鹽電導率高于鋰電解液20%左右）降低成本；

（3）鈉離子不與鋁形成合金，負極可采用鋁箔作為集流體，可以進一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；

（4）由于鈉離子電池無過放電特性，允許鈉離子電池放電到零伏。

對于鈉離子電池我們關注的焦點，一個是成本要低，正極材料要去鋰脫鈷，不用鋰離子，也不用成本較高的鈷原料；第二是在電動車和儲能方面都要求電池壽命要長；第三是安全性要好；最后是能量密度要比較合適。

鈉離子電池和鋰離子電池的反應機理相近，正極材料除了磷酸鹽或氟化磷酸鹽以外，還可以用鎳錳層狀過渡金屬氧化物。在負極材料方面可選擇碳類、合金和化合物。在三大類負極材料中，我們還是選擇最便宜的碳材料。我們對于負極碳材料又進行了軟碳、硬碳和石墨烯三個分類的研究。

我們最近的一些研究成果，其中一個是采用層狀結構Na0.67Ni0.33-xMxMn0.67O2作正極材料。經過實驗研究和比較，在制備正極原材料的使用上，我們認為使用醋酸鹽或草酸鹽更好。根據文獻報道，正極材料如果只用鎳錳氧化物，它的循環性能和充電到高電位時的穩定性較差。所以有文獻報道可以用鎂摻雜，替代鎳位，這樣的話期待它的容量可以更高，這種方法對于獲得高能量密度的鈉離子電池是很有幫助的。除了鎂以外，其他摻雜的元素可不可以呢？我們選擇與替代元素離子半徑相近的元素做摻雜，比如替代鎳位，我們選了鋯（Zr）離子和銅（Cu）離子進行摻雜。材料摻雜后與摻雜前電化學性能和循環性能都有提高，Zr摻雜和Cu摻雜相比，Cu摻雜的循環穩定性更好。

負極方面，由于軟碳材料處理的方法比較多，我們嘗試了用磷摻雜軟碳。摻雜磷后放電容量可以提高30%以上，循環特性好。為什么摻磷后材料性能提高呢？這是由于摻磷后可以增加鈉吸附的活性點。在傳統的嵌入反應之外，還多了一些鈉離子吸附的活性點位。另外，在硬碳方面，我們選用了椰殼、杏殼等生物質材料，通過處理，最終獲得硬碳材料。通過拉曼分析可以發現，這些材料是短層有序、長層無序的結構，微晶的層間距較大，適合鈉離子嵌入。

通過循環實驗可以看到，經過200次循環，容量基本沒有衰降，循環穩定性很好。由此可見，這些生物質材料是很好的廉價的鈉離子電池負極材料。再有，對于石墨烯負極我們也做了研究。石墨烯材料最大的問題是密度比較低，將來能不能做成高體積比能量的電池還是問題。所以可以考慮將石墨烯和其他負極材料如硬碳、軟碳，以及化合物類或合金類材料進行復合。

我們做了1.5Ah和0.5Ah兩種軟包全電池，正極材料采用前面提到的鎳錳氧化物，負極采用生物質的硬碳材料，經300次循環后容量衰降為15%。由此可見，鈉離子電池用廉價材料是可以制備的，而且電性能良好。

作為一類重要的儲能電池，鈉離子電池具有比能量高、安全性能好、價格低廉等優點，有望在儲能領域成為鋰離子電池的替代品。其最主要的特征就是利用Na+代替了價格昂貴的Li+，而為了適應鈉離子，電池的正極材料、負極材料、電解液甚至添加劑的種類和用量（如T3p、己烷三腈）等都要做相應的改變。因此，仍有諸多問題亟待解決，實現大規模、高安全性、低成本、高能量、高功率密度和長壽命的目標，方能實現鈉離子電池的產業化。