四十年后败部复活的钠电池技术路线

　　1970年代，当科学家在选择电池材料时，是看著化学元素周期表在选择的。还记得高中时代苦背的「锂钠钾铷铯鍅」吗？锂(Li)与钠(Na)在化学元素周期表上属同一主族，性能相近，在电池原理上两者也相近，都是透过不断在正、负极间来回游动充放电。于是一帮科学家选择了锂电池，另一帮科学家选择了钠电池。

　　锂是个游泳健将，而钠在尺寸和重量上都比锂肥了一大圈，也就是个胖子，想也知道，这个胖子自然游不过锂。而且，这个胖子身上太多脂肪，储存的肌肉密度不高，也就是能量密度不够高，所以在电池球赛的第一局，钠电池就输给了锂电池，这一输就是40年。

　　但是老天爷是公平的，十年河东、十年河西，根据2020年世界银行的估计，电池材料中最重要的锂金属，若要满足全球现在的需求，需要其地球库存量的五倍，但地球没有那么多。而且开采锂矿时，平均每吨锂需消耗约200万公升的水，锂电池又需要用到稀土，这些问题都让环保人士诟病。为了寻找替代材料，回头发现，钠在地壳中化学元素平均含量是锂的423倍，在地球上分布广泛，多到你家里买的食盐里面都有，价格远远低于锂，于是在40年之后，胖子钠电池卷土重来，败部复活！

钠电池的技术与材料路线：主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜

　　跟锂电池、铅酸电池一样，钠电池主要材料也是正极、负极、电解液、隔离膜。因为预期钠电池将取代铅酸电池的应用场景，也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池，这三者彼此竞合，请见下表比较三者的材料异同。

材料	钠电池			锂电池			铅酸电池
正极	层状氧化物	聚阴离子型	普鲁士蓝	钴酸锂	磷酸铁锂	锂三元	二氧化铅
负级	碳基材料			天然石墨(NG)			铅
负级	碳基材料			人造石墨(AG)			铅
电解液	钠、溶剂			锂、溶剂			硫酸、蒸馏水
隔离膜	PE/PP/复合材料			PE/PP/复合材料			PE/玻璃纤维/复合材料
应用场景	预期将取代铅酸电池的应用场景，也将挑战电动车、储能系统使用的锂电池			3C产品	电动车、储能系统	电动车、储能系统	汽机车的启动电瓶、工业用备用电源如工厂紧急照明、不断电系统等

（表一）钠电池、锂电池与铅酸电池主要材料比较表
资料来源：颜文群整理

钠电池正极材料路线有三种，预测最后将是各拥其主

　　根据成本及应用场景需要的充放电速度，锂电池不同的正级材料用于不同的应用场景，而钠电池目前有三种正极材料路线，分别是层状氧化物、聚阴离子型、普鲁士蓝，还没有形成行业共识。目前实在很难看出哪个正极材料将一统江山，因此只要条件许可，公司的策略大概都是全压，小孩子才做选择，大人我全都要！

（图一）钠电池不同的正极材料路线与锂电池的战力表
资料来源：颜文群整理

　　钠电池的正极材料最后将是各拥其主，因为这几个正极材料的成本都有机会大幅下降，所以只要产品到市场阶段处理得宜，都有机会分到蛋糕。

钠电池负极材料路线有五种，预期将由碳基材料出线

　　钠电池的负极材料目前有五种路线：碳基材料、钛基材料、合金材料、有机化合物及其他，其中碳基材料的技术成熟度最高，最有机会出线，率先实现量产。

　　钠电池制造过程中，不使用石墨作为负极材料，减少制备石墨时需要的3,000度超高温制程，大幅减少能耗，自然降低碳排放，相比起锂电池更环保。不过碳基材料不就是石墨吗？有什么不同？

钠电池的原理：选用碳基材料让钠电池胜出

　　碳是一种收放自如的元素，可以靠烧制的制程挤出很多「座位」，增加电池能量密度。碳源的排列是没有规则性的，当你用几百度去烧制时，就可以成为无定型碳，这就是钠电池在使用的碳基材料。无定型碳的座位没有那么多，通道还算大，比较胖的钠可以通过。比较瘦的锂，则可以通过进一步把无定型碳烧制成很有规则性、座位更拥挤的石墨，从而得到更高的能量密度。