在朱尔·凡尔纳的《海底两万里》中，船员们曾使用海水中的钠元素作为“鹦鹉螺”号的能量来源。书中提到，钠从海水中提取，并与汞混合形成汞齐，这种汞齐可用来代替锌在布生电池中。在这种设定下，汞并不被消耗，只有钠被用完，而钠则是从海水中补充的。这一构想不仅充满了奇幻色彩，也预示了人类对钠能源潜力的早期探索。
如今，随着科技的进步和能源需求的日益增长，钠离子电池技术的研究成为了新能源领域中的一项重要议题。
图：后人设计鹦鹉螺号模型
研究背景
动力电池是新能源汽车的能源储存装置，主要包括锂离子电池、钠离子电池、固态电池等多种类型。它们具有高能量密度、长寿命、环保等优点，成为了替代传统燃油汽车动力的关键技术。传统的锂离子电池因其优异的能量密度和循环寿命而广泛应用于各种电子设备和电动汽车中。
然而，高昂的锂价，总资源量的相对不足以及结构性周期性的错配短缺，导致其对能源行业的发展，甚至人类社会的能源进步都起到了压制作用。相比之下，以盐的形式广泛分布在陆地和海洋之中的钠元素，在地壳中的丰富度要高得多，价格也更加便宜，这使得钠离子电池成为一种具有潜力的替代技术。
图：钠离子电池优势
然而，钠离子电池也面临一些挑战和限制。例如，其能量密度相对较低，这意味着在相同体积下，钠离子电池存储的能量较少。此外，钠离子电池的充放电速度也较慢，这在一定程度上限制了其在需要快速充放电的应用场景中的使用。尽管如此，随着科学技术的不断进步，相信这些挑战将在未来得到逐步克服。
2023年是产业界号称的钠离子电池元年，正如著名材料科学家约翰·古迪纳夫(John B. Goodenough）所言：“钠离子电池是一种具有巨大潜力的新型电池技术，它有可能改变我们对能源存储和使用的方式。”对于钠离子电池而言，其未来的发展潜力无疑是巨大的。随着全球对可再生能源和环保技术需求的不断增加，钠离子电池作为一种具有成本优势和环保特性的电池技术，将在未来的能源存储领域发挥越来越重要的作用。
研究现状
钠离子电池在工作原理上与锂离子电池相似，都是通过离子在正负极材料之间的移动来存储和释放能量。然而，钠离子的半径比锂离子大，这给电极材料的选择和电池设计带来了额外的挑战。当前的研究主要集中在寻找适合钠离子存储的新型材料、改进电池的能量密度、循环稳定性以及降低生产成本等方面。
图：钠离子电池系统
钠离子电池的正负极材料是决定其性能的关键因素之一。在正极材料方面，研究者们开发了类似于锂离子电池正极材料的层状或隧道结构的过渡金属氧化物，其具有高钠离子嵌入/脱出能力，如钠钴氧化物、钠锰氧化物等，还有普鲁士蓝类正极材料以及聚阴离子型正极材料等，以寻找最佳的能量存储性能与成本效益平衡。
图：Na3V2(PO4)3正极材料的储钠机制：典型两相反应
负极材料方面，常用的有碳基材料、合金类材料和转化型材料等。硬碳、钛基材料和其他合金材料被广泛研究，以提高电池的循环寿命和充电速度。碳基材料因其低成本和良好的电化学性能而被广泛研究。然而，碳基材料在充放电过程中存在体积膨胀和钠离子嵌入/脱出动力学缓慢等问题，限制了其性能的提升。
为了解决这些问题，研究者们通过纳米结构设计、表面改性等手段对碳基材料进行改进，以提高其循环稳定性和倍率性能。此外，合金类材料和转化型材料也因其高比容量而受到关注，但这些材料在充放电过程中存在较大的体积变化和较差的循环稳定性，需要进一步研究。
图：钠离子在硬碳材料中稳定状态的理论计算
电解质作为电池的重要组成部分，其性能直接影响到电池的稳定性和安全性。电解质的主要功能是传导离子，确保电池在充放电过程中的离子迁移顺利进行。与锂离子电池常用的有机电解质不同，钠离子电池的电解质通常采用无机固体或液态无机盐。钠离子电池的研究主要集中在寻找非易燃、高导电性的电解液。
近年来，研究者们探索了多种新型电解质材料。其中，固态电解质因其高机械强度、不易泄漏和宽电化学窗口等优点备受关注。例如，硫化物、氯化物和聚合物固态电解质等，在钠离子电池中展现出了良好的应用前景。固态电解质的开发有望解决钠离子电池漏液、易燃等安全问题，同时提高电池的能量密度和循环寿命。
图：全固态电池中存在的多种界面结构示意图
尽管钠离子电池目前在能量密度和循环寿命方面仍然落后于锂离子电池，但它们在成本和资源可持续性方面具有明显优势。随着科技的不断进步和对可持续能源需求的增长，钠离子电池的研究正处在一个充满挑战与机遇的时期。如凡尔纳在《海底两万里》中对海洋深处未知世界的描绘，科学家们对钠离子电池技术的探索正是对未知能源世界的勇敢追求。在这一探索过程中，我们不仅期待开发出更高效、更经济、更环保的电池技术，也寻求对于能源使用和人类生活方式的根本性改变。
钠离子电池技术的发展不仅仅是科学上的进步，它也代表着对于可持续发展和绿色能源转型的承诺。随着全球对于减少碳足迹和战胜气候变化的共识日益增强，钠离子电池及其相关技术的研究将更加受到重视。这一过程充满挑战，但也充满希望。在未来的日子里，钠离子电池技术的研究与发展将继续前行。
在朱尔·凡尔纳的梦想与现代科学技术的边界上，钠离子电池技术的探索就像是一场深海之旅，充满未知，但也充满希望。在这条旅途中，每一次深入的探索都可能引领我们进入一个更加绿色、更加持久的未来。每一步进展都是对未来可持续世界的贡献。而我们，作为这一科技纪元的见证者和参与者，有幸能够见证这一切的发展与变革。
参考文献
[1] Building High Power Density of Sodium-Ion Batteries: Importance of Multidimensional Diffusion Pathways in Cathode Materials[J].Chen Mingzhe, Zhang Yanyan, Xing Guichuan, Frontiers in Chemistry,2020,8-1.
[2] https://www.vernianera.com/Nautilus/
[3] Superior Electrochemical Performance and Storage Mechanism of Na3V2(PO4)3 Cathode for Room-Temperature Sodium-Ion Batteries [J].Volume 3, lssue 2,2013:156-160.
[4] Probing the Energy Storage Mechanism of Quasi-Metallic Na in Hard Carbon for Sodium-Ion Batteries [J].Advanced Energy Materials,2021.
[5] Structural evolution and matter transportation of the interface in all-solid-state battery [J].Gong Yue, Gu Lin, Acta Phys. Sin.,2020, 69(22): 226801.
