锂离子电池无处不在，不仅用于耳机、手机和汽车，还在储存可再生能源的大型设施中发挥重要作用——在太阳光照和风力减弱时提供能源。然而，锂本身相对稀缺，且仅在少数国家有储量。一个以可再生能源为动力的世界需要的电池容量将是目前的200倍——而这可能意味着需要一种不同类型的电池。芝加哥大学电池化学家Y. Shirley Meng说：“我不知道仅靠锂离子电池能否实现这一目标。”

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俄克拉荷马州一个设施的盐堆证明，钠并不缺乏（图源：JIM WEST/REPORT DIGITAL-REA VIA REDUX）

一种存在了几十年的技术或许能够迎接这一挑战：使用钠离子而非锂离子来携带和储存电荷的电池。钠在海水和盐矿中随处可见，因此供应和成本都不是问题。但钠这种金属在储存电荷方面不如锂，因为钠离子的体积是锂离子的三倍，这限制了钠离子进出现有电池电极的能力。全球各地的实验室正在开发新的电极材料来解决这一问题，在过去6个月中，已有几个研究团队经宣布钠电池的储能与低端锂电池相当。哥伦比亚大学的电池化学家Dan Steingart 说。“这种进步令人惊叹。”用于电动汽车、摩托车和电网储能的商用钠离子电池也开始下线。

不过，研究人员提醒说，钠离子电池还没有做好广泛应用的准备。“我们还没有达到那个阶段，”法国学院的固态化学家Jean-Marie Tarascon说，钠电池的性能仍远不及最好的锂离子电池。而且目前缺乏转向钠电池的经济动力：锂短缺仍是一个理论上的问题，而由于供应过剩，锂金属的价格在过去三年中实际上下降了70%。

与锂电池一样，钠离子电池的工作原理是通过离子导电的电解质将正离子在一对电极之间传递，充电时，电子进入带负电荷的阳极，吸引金属离子通过电解质从带正电的阴极流向阳极。放电时离子从阳极流回阴极。

由于钠离子比锂离子大，因此能挤入阳极储存电荷的钠离子数量较少。因此需要更大的电池来储存相同的电量，这就增加了成本和体积。钠电池的存储容量甚至连最好的锂电池的一半都难以达到，后者每公斤可存储300瓦时以上的能量（Wh/kg）。但美国阿贡国家实验室的电池化学家Gui-Liang Xu说：“我们有多种途径可以解决这一挑战。”

一种方法是改变阳极的成分。大多数锂离子电池使用石墨，这是一种碳的形态，其紧密的层状结构往往会排斥钠离子。许多研究人员转而使用另一种形式的碳——硬碳，由一团碳颗粒组成，给钠离子留下了可以钻入的孔隙。

不幸的是，这些孔隙也会减少阳极的储能容量。但研究人员发现，在阳极中加入锡可以帮助解决这一问题。当稳定在碳基质上时，每个锡原子可以结合多达3.75个钠离子，从而提高阳极储存钠离子的能力，进而提高储能。例如，总部位于美国圣迭戈的初创公司UNIGRID开发的电池可储存170 Wh/kg的能量。休斯顿大学的钠离子电池专家姚彦说：“虽然这仍然低于低端锂电池的200 Wh/kg，但非常令人兴奋。”

另一种改进方法是调整带正电的阴极的成分，以实现更好的钠储存和流动。其中一种最受欢迎的新材料是钠、钒、磷和氧的混合物（NaVPO），这种材料往往能形成层状结构，使钠原子轻松进出。

目前，与锂离子电池的阴极相比，NaVPO的能量密度适中，但由休斯顿大学的化学家Pieremanuele Canepa的研究团队最近利用计算机建模和X射线衍射技术，识别出一种对NaVPO晶体结构的有前景的调整方式，2024年10月23日在线发表于《自然-材料》杂志，Canepa和同事们不仅合成了一种新材料，还将其应用于钠离子电池的阴极中，与之前的NaVPO设计相比，这种阴极可多储存15%的能量。

另一种更激进的方法是用有机化合物制造阴极，这些化合物也能形成存储和释放钠离子的层状结构。许多有机物在电池电解质中会分解，但在2月5日出版的《美国化学会志》上，麻省理工学院的Mircea Dinc?研究团队报告称，他们创造了一种更耐用的层状有机阴极，名为TAQ。这种材料不仅在数千次充放电循环中保持稳定，而且TAQ的能量密度在钠离子阴极中也是最高的。Canepa称其为“化学的杰作”。

尽管如此，许多电池专家仍然对钠电池的未来持谨慎态度，并对一些公司的公告表示怀疑。UNIGRID首席执行官Darren Tan说，电池设计和性能的细节“缺乏透明度”。

障碍不仅仅是技术上的，Steingart说，目前锂的低成本削弱了钠的主要卖点。钠离子电池制造商的规模仍然太小，无法从规模经济中获益。2024年11月，这些挑战导致该领域的先驱之一——瑞典钠离子电池公司Northvolt申请破产。

斯坦福大学材料科学家William Chueh说，钠离子电池的成本效益将取决于技术进步。1月13日，他和同事在《自然-能源》在线发表了一篇论文，评估了生产钠离子电池的6000多种路线图，发现要想与低成本的锂离子电池竞争，研究人员需要取得几项突破，包括消除钠离子电池目前所需的昂贵材料，如镍和钒。

Steingart相信这些进步即将到来。他说，关于钠离子电池的基本化学原理，“我们仍处于早期阶段”。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41560-024-01701-9

https://doi.org/10.1021/jacs.4c17713