四十年後敗部復活的鈉電池技術路線

　　1970年代，當科學家在選擇電池材料時，是看著化學元素週期表在選擇的。還記得高中時代苦背的「鋰鈉鉀銣銫鍅」嗎？鋰(Li)與鈉(Na)在化學元素週期表上屬同一主族，性能相近，在電池原理上兩者也相近，都是透過不斷在正、負極間來回游動充放電。於是一幫科學家選擇了鋰電池，另一幫科學家選擇了鈉電池。

　　鋰是個游泳健將，而鈉在尺寸和重量上都比鋰肥了一大圈，也就是個胖子，想也知道，這個胖子自然游不過鋰。而且，這個胖子身上太多脂肪，儲存的肌肉密度不高，也就是能量密度不夠高，所以在電池球賽的第一局，鈉電池就輸給了鋰電池，這一輸就是40年。

　　但是老天爺是公平的，十年河東、十年河西，根據2020年世界銀行的估計，電池材料中最重要的鋰金屬，若要滿足全球現在的需求，需要其地球庫存量的五倍，但地球沒有那麼多。而且開採鋰礦時，平均每噸鋰需消耗約200萬公升的水，鋰電池又需要用到稀土，這些問題都讓環保人士詬病。為了尋找替代材料，回頭發現，鈉在地殼中化學元素平均含量是鋰的423倍，在地球上分布廣泛，多到你家裡買的食鹽裡面都有，價格遠遠低於鋰，於是在40年之後，胖子鈉電池捲土重來，敗部復活！

鈉電池的技術與材料路線：主要材料也是正極、負極、電解液、隔離膜

　　跟鋰電池、鉛酸電池一樣，鈉電池主要材料也是正極、負極、電解液、隔離膜。因為預期鈉電池將取代鉛酸電池的應用場景，也將挑戰電動車、儲能系統使用的鋰電池，這三者彼此競合，請見下表比較三者的材料異同。

（表一）鈉電池、鋰電池與鉛酸電池主要材料比較表
資料來源：顏文群整理
 

鈉電池正極材料路線有三種，預測最後將是各擁其主

　　根據成本及應用場景需要的充放電速度，鋰電池不同的正級材料用於不同的應用場景，而鈉電池目前有三種正極材料路線，分別是層狀氧化物、聚陰離子型、普魯士藍，還沒有形成行業共識。目前實在很難看出哪個正極材料將一統江山，因此只要條件許可，公司的策略大概都是全壓，小孩子才做選擇，大人我全都要！

（圖一）鈉電池不同的正極材料路線與鋰電池的戰力表
資料來源：顏文群整理
 

　　鈉電池的正極材料最後將是各擁其主，因為這幾個正極材料的成本都有機會大幅下降，所以只要產品到市場階段處理得宜，都有機會分到蛋糕。

鈉電池負極材料路線有五種，預期將由碳基材料出線

　　鈉電池的負極材料目前有五種路線：碳基材料、鈦基材料、合金材料、有機化合物及其他，其中碳基材料的技術成熟度最高，最有機會出線，率先實現量產。

　　鈉電池製造過程中，不使用石墨作為負極材料，減少製備石墨時需要的3,000度超高溫製程，大幅減少能耗，自然降低碳排放，相比起鋰電池更環保。不過碳基材料不就是石墨嗎？有什麼不同？

鈉電池的原理：選用碳基材料讓鈉電池勝出

　　碳是一種收放自如的元素，可以靠燒製的製程擠出很多「座位」，增加電池能量密度。碳源的排列是沒有規則性的，當你用幾百度去燒製時，就可以成為無定型碳，這就是鈉電池在使用的碳基材料。無定型碳的座位沒有那麼多，通道還算大，比較胖的鈉可以通過。比較瘦的鋰，則可以通過進一步把無定型碳燒製成很有規則性、座位更擁擠的石墨，從而得到更高的能量密度。

（圖二）不同溫度下碳的物理形狀
資料來源：顏文群

　　胖子鈉電池替許多企業開拓出新藍海，又和鋰電池供應鏈非常類似，很多地方可以通用，比同樣是鋰電池家族的固態電池更容易產能切換，有機會重塑新的產業規則，勢必能在未來電池市場佔有舉足輕重的地位！

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