如何安全高效地解決寒區(qū)電能儲(chǔ)存困境

我國陸地面積四成以上屬于寒區(qū)，保障寒區(qū)部隊(duì)的用電需求是后裝保障能力建設(shè)的重要關(guān)切。其中，如何安全高效地儲(chǔ)存電能則是寒區(qū)部隊(duì)電能保障的首要難題。相較于當(dāng)前應(yīng)用廣泛的磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池等，新興的鈉離子電池在低溫性能、安全性、功率密度以及成本等方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。本文通過對(duì)比分析認(rèn)為，鈉離子電池更適用于寒區(qū)的電能保障需求，將對(duì)破解我寒區(qū)部隊(duì)的電儲(chǔ)能困境發(fā)揮重要作用。建議相關(guān)建設(shè)部門和科研單位密切關(guān)注鈉離子電池發(fā)展動(dòng)態(tài)，積極布局和引導(dǎo)鈉離子電池技術(shù)路線向寒區(qū)軍事應(yīng)用方向發(fā)展，大力推動(dòng)鈉離子電池在寒區(qū)軍用儲(chǔ)能電站和寒區(qū)裝備電源等領(lǐng)域的工程應(yīng)用與示范。

周 星，黃生俊，朱文凱，等. 鈉離子電池：破解寒區(qū)電儲(chǔ)能困境的新選擇[J].國防科技，2023,44（1）：103-111.

隨著戰(zhàn)爭(zhēng)向無人化和智能化方向發(fā)展，部隊(duì)用電需求將逐漸增長(zhǎng)，安全可靠的電能保障將成為打贏戰(zhàn)爭(zhēng)的重要條件。受限于當(dāng)前技術(shù)發(fā)展水平，電能保障領(lǐng)域還存在諸多痛點(diǎn)。其中，寒區(qū)部隊(duì)的電儲(chǔ)能困境尤為突出，是亟待解決的關(guān)鍵問題。

我國寒區(qū)主要分布在西藏、青海、新疆、甘肅、內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林、四川等地區(qū)，寒區(qū)面積共達(dá)417萬km2，占我國陸地面積四成以上。這些地區(qū)年平均氣溫低于5?℃，部分地區(qū)冬季氣溫在-20?℃~0?℃之間，夜間溫度甚至低至-40?℃。受環(huán)境溫度和地理位置等因素影響，寒區(qū)部隊(duì)的電能保障問題長(zhǎng)期未能得到很好解決，而突破低溫電儲(chǔ)能技術(shù)則是解決寒區(qū)部隊(duì)電能保障問題的關(guān)鍵。當(dāng)前，低溫電儲(chǔ)能技術(shù)的研究主要側(cè)重于對(duì)鋰離子電池和鉛酸電池的電解液等關(guān)鍵材料的改進(jìn)，以提升其低溫性能。但是，從實(shí)際情況來看，該技術(shù)路徑已逐步達(dá)到瓶頸，而且很難兼顧低溫性能、功率性能以及安全性等多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。

相較于傳統(tǒng)的鋰離子電池和鉛酸電池，近年來逐漸發(fā)展成熟的鈉離子電池技術(shù)在低溫性能、功率性能以及安全性等方面具有一定優(yōu)勢(shì)和更大潛力。因此，本文認(rèn)為鈉離子電池將為破解我寒區(qū)部隊(duì)電儲(chǔ)能困境提供新的機(jī)會(huì)。首先，本文探討了寒區(qū)部隊(duì)電儲(chǔ)能的具體需求、發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題；其次，結(jié)合鈉離子電池的工作原理，深入分析其主要優(yōu)勢(shì)與發(fā)展現(xiàn)狀；最后，給出了主動(dòng)引導(dǎo)探索鈉離子電池技術(shù)發(fā)展路徑和積極推動(dòng)鈉離子電池的軍事應(yīng)用示范等建議。

01 寒區(qū)部隊(duì)電儲(chǔ)能需求

寒區(qū)部隊(duì)的電能儲(chǔ)存需求可分為固定式電儲(chǔ)能和機(jī)動(dòng)式電儲(chǔ)能兩種。固定式電儲(chǔ)能主要包括用于部隊(duì)日常訓(xùn)練與生活保障的軍用儲(chǔ)能電站以及部分關(guān)鍵設(shè)施的不間斷電源。這類儲(chǔ)能系統(tǒng)通常部署在營區(qū)，可以放置在室內(nèi)予以一定程度的保溫。機(jī)動(dòng)式電儲(chǔ)能主要面向野戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景，主要用于作戰(zhàn)車輛低溫啟動(dòng)或虧電啟動(dòng)的通用啟動(dòng)電源、通信設(shè)備野戰(zhàn)供電的通信電源和單兵作戰(zhàn)保障的便攜式電源等。

以上這些電儲(chǔ)能需求對(duì)電池的低溫性能、安全性、能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和成本等性能指標(biāo)具有不同程度的要求。根據(jù)實(shí)際調(diào)研經(jīng)驗(yàn)，寒區(qū)部隊(duì)電儲(chǔ)能需求的相關(guān)特征如表1所示。

目前部隊(duì)對(duì)電池安全性要求普遍很高，寒區(qū)部隊(duì)的電儲(chǔ)能需求對(duì)電池低溫性能要求最高。除軍用儲(chǔ)能電站和關(guān)鍵設(shè)施不間斷電源等固定電池系統(tǒng)可以放置在室內(nèi)予以一定程度的保溫外，通用啟動(dòng)電源、通信電源和單兵電源等電池組都需要在更低溫度的戶外運(yùn)行。在滿足低溫性能的同時(shí)，部分通用啟動(dòng)電源還需要電池具有較高的功率性能，而通信電源和單兵電源則需要具備較高的能量密度。此外，相關(guān)需求對(duì)電池的循環(huán)壽命和單位成本也具有不同影響。其中，軍用儲(chǔ)能電站對(duì)電池循環(huán)壽命和單位成本的要求最高，而通用啟動(dòng)電源、通信電源和單兵電源等電池組則應(yīng)優(yōu)先滿足能量密度、功率密度和低溫性能等其他性能指標(biāo)，降低對(duì)循環(huán)壽命和單位成本的要求。

總體來說，寒區(qū)部隊(duì)的電儲(chǔ)能需求十分嚴(yán)苛，目前低溫電儲(chǔ)能問題還未得到很好解決，導(dǎo)致寒區(qū)部隊(duì)進(jìn)行可靠電能保障還存在一定困難。

02 寒區(qū)部隊(duì)電儲(chǔ)能現(xiàn)狀及問題

與壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等物理儲(chǔ)能技術(shù)相比，鋰離子電池、鉛酸電池和超級(jí)電容等電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有能量密度高、環(huán)境制約性弱、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，將在電能保障領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。其中，超級(jí)電容能量密度過低且單位成本很高，難以單獨(dú)作為大多數(shù)電儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的主要儲(chǔ)能器件。相較來說，鉛酸電池和鋰離子電池的應(yīng)用場(chǎng)景更加廣泛。與鋰離子電池相比，鉛酸電池在能量密度、功率密度和循環(huán)壽命等方面存在明顯劣勢(shì)，但具有更高的安全性，基本不會(huì)發(fā)生熱失控事故，而且生產(chǎn)成本也更低。因此，鉛酸電池仍然是固定式電儲(chǔ)能中應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ)能器件。面向野戰(zhàn)應(yīng)用場(chǎng)景的機(jī)動(dòng)式電儲(chǔ)能則更偏向于使用性能更好且安全性較高的磷酸鐵鋰電池。

然而，在低溫環(huán)境下，目前常用的鉛酸電池和鋰離子電池的功率性能和容量性能均會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減。在溫度低至-40?℃時(shí)，這些電池基本上無法正常充放電，嚴(yán)重制約了寒區(qū)部隊(duì)的電能保障能力。在軍用儲(chǔ)能電站和關(guān)鍵設(shè)施不間斷電源等固定式電儲(chǔ)能方面，為了緩解鉛酸電池和磷酸鐵鋰電池低溫性能差的缺點(diǎn)，需要為其建設(shè)集成加熱系統(tǒng)或提供室內(nèi)保溫條件，這使得整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能效偏低、環(huán)境制約性較大。在通用啟動(dòng)電源、通信電源和單兵電源等機(jī)動(dòng)式電儲(chǔ)能方面，由于缺乏室內(nèi)保溫條件，低溫帶來的挑戰(zhàn)更大。針對(duì)低溫環(huán)境，目前相關(guān)廠商對(duì)磷酸鐵鋰等鋰離子電池進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了在-40?℃下1 C左右的最大放電能力，但代價(jià)是大幅降低了電池能量密度并增加了生產(chǎn)成本。因此，這類低溫電池應(yīng)用在通信電源和單兵電源中仍然存在體積和重量較大的問題。針對(duì)通用啟動(dòng)電源，往往需要電池具備30 C以上的瞬間放電能力，這無法被目前的低溫電池所滿足，只能采取低溫電池與超級(jí)電容混合的儲(chǔ)能方案，且在-40?℃下通常需要30~60 min的冷啟動(dòng)加熱過程才能正常工作，嚴(yán)重制約了裝備作戰(zhàn)性能。此外，電池在低溫環(huán)境下充電比放電更難。鋰離子電池在低溫下充電容易發(fā)生析鋰副反應(yīng)，可能引發(fā)熱失控安全事故，這也是不容忽視的關(guān)鍵問題。

綜上所述，發(fā)展先進(jìn)的電儲(chǔ)能技術(shù)，提高電池的低溫性能，對(duì)提升寒區(qū)電能保障能力具有重要意義。近年來，鈉離子電池技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，其相較傳統(tǒng)的鋰離子電池和鉛酸電池具有更好的低溫特性、功率性能以及安全性。我國產(chǎn)業(yè)界正在鈉離子電池領(lǐng)域積極布局，并已初步具備鈉離子電池的量產(chǎn)能力。本文認(rèn)為鈉離子電池將為破解軍隊(duì)寒區(qū)電儲(chǔ)能困境提供新的機(jī)遇。

03 鈉離子電池的工作原理

鈉離子電池與鋰離子電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理十分類似，均可視為一種“搖椅式”電池，即其充放電過程對(duì)應(yīng)著鈉/鋰離子在正負(fù)極之間來回穿梭。以放電過程為例，鈉離子電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1所示。

圖1 ?鈉離子電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

鈉離子電池包括正極、負(fù)極、隔膜和集流體等部分。其中，正極主要由鈉離子層狀氧化物等正極材料構(gòu)成，負(fù)極主要由硬碳等負(fù)極材料構(gòu)成。正/負(fù)極均為多孔結(jié)構(gòu)電極，分別由正/負(fù)極材料顆粒堆疊而成，而電解液則填充了隔膜和正/負(fù)極材料顆粒之間的空隙。正/負(fù)極中還可以添加一些導(dǎo)電劑與粘接劑，用以增強(qiáng)正/負(fù)極的電子通路。此外，鈉離子電池的正/負(fù)極集流體均可使用鋁箔作為連接正/負(fù)極與外部電路的橋梁，電子通過集流體在正/負(fù)極與外部電路之間進(jìn)行傳輸。

正/負(fù)極材料均可以一定形式儲(chǔ)存鈉離子。如圖1所示，當(dāng)電池放電時(shí)，鈉離子通過電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)從負(fù)極材料顆粒內(nèi)部脫嵌出來，并穿過負(fù)極材料顆粒表面的固體電解質(zhì)界面（Solid Electrolyte Interface, 簡(jiǎn)稱SEI）膜，進(jìn)入到電解液中；在溶劑化后，鈉離子將繼續(xù)在電勢(shì)梯度和濃度梯度的驅(qū)動(dòng)下，向負(fù)極進(jìn)行遷移和擴(kuò)散；同時(shí)，正極材料顆粒附近的鈉離子將會(huì)發(fā)生去溶劑化過程，穿過正極材料顆粒表面的SEI膜，并在正極材料顆粒表面發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)，從而嵌入到正極材料顆粒內(nèi)部。以上所述的從負(fù)極到正極的鈉離子定向移動(dòng)形成了放電過程中的電池內(nèi)部電流；與此同時(shí)，電子也會(huì)通過外部電路從負(fù)極向正極發(fā)生定向移動(dòng)，從而形成了電池外部電流。

雖然鈉離子電池與鋰離子電池在原理上具有較大的相似性，但具體的材料體系選擇及其相關(guān)物化特性決定了鈉離子電池在寬溫域、安全性和功率性能等方面具有特殊優(yōu)勢(shì)。

04 鈉離子電池的主要優(yōu)勢(shì)

目前，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化成熟度高、應(yīng)用范圍廣，已逐漸主導(dǎo)整個(gè)電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域。而鈉離子電池的工作原理又與鋰離子電池具有較大的相似性。因此，本文將以鋰離子電池作為主要參照，分別從寬溫域、安全性、功率性能以及成本等多個(gè)方面分析探討鈉離子電池的優(yōu)勢(shì)。

4.1? 具有寬溫域優(yōu)勢(shì)，在低溫環(huán)境下容量保持率更高

首先，鈉離子電池可以采用具有穩(wěn)定相結(jié)構(gòu)的磷酸鹽化合物、普魯士藍(lán)和硬碳等全氣候電極。這類電極本身具有更好的寬溫域特性，即低溫特性和熱穩(wěn)定性俱佳。其次，鈉離子相較鋰離子具有更大的離子半徑，在電極/電解液界面處發(fā)生嵌入、脫出反應(yīng)時(shí)的溶劑化和去溶劑化過程更為容易，而溶劑化和去溶劑化過程則是影響電池低溫性能的關(guān)鍵反應(yīng)步驟之一，故鈉離子電池的電解液具有更好的低溫特性。因此，從電極和電解液兩方面來看，鈉離子電池的低溫性能都更好，同時(shí)也容易實(shí)現(xiàn)更寬的工作溫度區(qū)間。據(jù)報(bào)道，以碳包覆的Na3V2(PO4)3復(fù)合材料為電極的鈉離子電池可以在-30?℃~55?℃的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。與之對(duì)比，目前鋰離子電池對(duì)低溫環(huán)境的適應(yīng)性較差，在低溫下會(huì)出現(xiàn)可放電電量明顯減少且無法正常充電的問題，需要使用溫控裝置來加熱和保溫。在低溫環(huán)境下使用鈉離子電池則可明顯減少需要加熱的情況，從而提高電儲(chǔ)能系統(tǒng)的能效和可維護(hù)性；甚至在大多數(shù)場(chǎng)景下無需配備加熱或保溫裝置，從而可減小電儲(chǔ)能系統(tǒng)的體積和重量，以提高相關(guān)武器裝備的機(jī)動(dòng)性。

4.2? 具有高安全優(yōu)勢(shì)，熱失控發(fā)生概率低、危險(xiǎn)性小

電池的燃燒、爆炸等安全事故大多是由于電池內(nèi)部的熱量無法及時(shí)排出，使得電池內(nèi)部的有機(jī)電解液燃燒，從而引發(fā)熱失控造成的。提高電池的安全性，就是要一方面降低熱失控的發(fā)生概率，另一方面降低熱失控的危險(xiǎn)性。首先，相較鋰離子電池來說，鈉離子電池的正極材料在高溫下具有更好的穩(wěn)定性，且容易通過添加不易燃燒的鈉鹽溶劑和阻燃添加劑使得電解液難以燃燒，因此可大幅度降低電池?zé)崾Э匕l(fā)生的概率。此外，相較鋰離子電池來說，鈉離子電池的能量密度較低，如果某鈉離子電池發(fā)生了熱失控，其在短時(shí)間內(nèi)釋放出來的能量更少，更容易采用被動(dòng)安全技術(shù)來防止電池系統(tǒng)進(jìn)一步發(fā)生熱失控蔓延。因此，即使單個(gè)鈉離子電池發(fā)生了熱失控，其險(xiǎn)情也容易控制，對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)造成的危險(xiǎn)性更小。綜合以上兩個(gè)方面，使用鈉離子電池將大幅提高電儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性。

需要特別指出的是，由于鋰離子電池低溫性能較差，其在低溫環(huán)境下充電容易發(fā)生析鋰副反應(yīng)；而副反應(yīng)中沉積的鋰金屬除了會(huì)迅速消耗電解液，加速電池老化之外，還容易生長(zhǎng)成鋰枝晶，可能刺穿隔膜，導(dǎo)致電池內(nèi)短路。因此，在寒區(qū)使用鋰離子電池將比溫區(qū)具有更高的安全隱患和更低的使用壽命，未來在寒區(qū)推廣鈉離子電池將具有更為顯著的安全意義。

4.3? 具有高功率優(yōu)勢(shì)，充放電倍率更高

鈉離子電池與鋰離子電池的充放電反應(yīng)過程十分相似。在充放電過程中，鋰/鈉離子的溶劑化和去溶劑化過程、電解液的離子導(dǎo)電率以及正負(fù)電極材料的擴(kuò)散特性等因素決定了電池的內(nèi)阻和功率性能。一方面，與鋰離子相比，鈉離子的溶劑化和去溶劑化過程更為容易，使得鈉離子電池的電荷轉(zhuǎn)移內(nèi)阻相對(duì)更小。另一方面，由于鈉離子具有更大的離子半徑，使得鈉離子電池的電解液中陰陽離子之間的相互作用較弱，電解質(zhì)鈉鹽可以更好地溶解在溶劑中，從而能提供更高的導(dǎo)離子率，因此鈉離子電池的電解液內(nèi)阻相對(duì)更小。此外，許多鈉離子電池的電極材料內(nèi)阻較小，容易實(shí)現(xiàn)更高的倍率性能。據(jù)報(bào)道，以碳包覆的NaCrO2材料為電極的鈉離子電池可以實(shí)現(xiàn)150 C的充放電倍率，相當(dāng)于在24 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全的充放電。綜合以上方面，鈉離子電池具有更好的功率性能，能以更大的充放電倍率進(jìn)行工作。

4.4? 鈉資源十分豐富，有望降低電儲(chǔ)能成本

鋰資源豐度有限且分布不均，主要位于南美洲等政治敏感地區(qū)以及我國的偏遠(yuǎn)地區(qū)，運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)或開采成本較高。相比之下，鈉資源儲(chǔ)量豐富且分布均勻、提煉簡(jiǎn)單，其在地殼中的元素豐度是鋰的1300倍以上。因此，鈉資源本身成本更低。此外，鋰離子電池的正極材料主要包括LCO、NCA、NCM等，這些材料含有Li、Co、或Ni等元素，在地殼中含量有限。而鈉離子電池的正極材料主要為金屬氧化物、普魯士藍(lán)類化合物等，其原材料主要以鐵和錳為主，資源豐富且成本低廉。在電解液的制備中，鈉鹽加工成本也遠(yuǎn)低于鋰類化合物。此外，鋰離子電池的正/負(fù)極集流體需要分別使用鋁箔和銅箔，而鈉離子電池的正/負(fù)極集流體可以只使用鋁箔，鋁箔的成本相對(duì)銅箔也更低，可以進(jìn)一步降低電池成本。據(jù)報(bào)道，在相同容量和電壓的情況下，無論是金屬氧化物型鈉離子電池，還是普魯士藍(lán)型鈉離子電池，其成本均低于目前的磷酸鐵鋰電池。

05 鈉離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及問題

雖然鈉離子電池具有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前產(chǎn)業(yè)化尚處于初期階段，技術(shù)路線百花齊放、尚未成熟。當(dāng)前，國內(nèi)外多家高科技公司從事鈉離子電池的研發(fā)與生產(chǎn)，分別在層狀氧化物和普魯士藍(lán)等正極材料、碳基和鈦基等負(fù)極材料，以及有機(jī)和水系等電解液方面積極布局，并已初步形成量產(chǎn)能力。部分鈉離子電池領(lǐng)先公司的技術(shù)與產(chǎn)品發(fā)展情況如表2所示。目前，鈉離子電池的發(fā)展主要還存在兩個(gè)方面的問題。

5.1? 能量密度偏低

相較鋰離子而言，鈉離子具有更大的質(zhì)量和離子半徑，導(dǎo)致鈉離子電池在能量密度上處于劣勢(shì)。根據(jù)最新報(bào)道，天津力神電池股份有限公司已推出300 Wh/kg以上的三元鋰離子電池；億緯鋰能已推出180 Wh/kg左右的磷酸鐵鋰電池；國軒高科計(jì)劃推出200 Wh/kg以上的磷酸鐵鋰電池。目前公開報(bào)道的鈉離子電池能量密度最高僅為160 Wh/kg。下一代鈉離子電池的能量密度期望提升到200 Wh/kg。以上數(shù)據(jù)說明，在當(dāng)前技術(shù)條件下，鈉離子電池相較三元鋰離子電池和磷酸鐵鋰電池來說，能量密度偏低。但是，考慮到未來幾年鈉離子電池的工藝制造水平將迅速提升，而且產(chǎn)業(yè)化成熟度也將逐漸提高，未來鈉離子電池的能量密度可能對(duì)磷酸鐵鋰電池構(gòu)成一定競(jìng)爭(zhēng)力。

5.2? 技術(shù)路線還未完全成熟

鈉離子電池的技術(shù)路線相對(duì)不成熟，多種材料體系并駕齊驅(qū)，這導(dǎo)致鈉離子電池的研發(fā)力量比較分散。目前，國內(nèi)外在硬碳負(fù)極儲(chǔ)鈉機(jī)制、匹配正負(fù)極材料的新型電解液等重要問題的研究上還存在較大不足。此外，國內(nèi)外尚未建立鈉離子電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，這也不利于鈉離子電池的技術(shù)體系發(fā)展、產(chǎn)品推廣和成本降低。相對(duì)缺乏規(guī)模化的生產(chǎn)線，也導(dǎo)致當(dāng)前鈉離子電池的正負(fù)極和電解液材料的制備成本仍然較高，供應(yīng)渠道不夠穩(wěn)定。不過，隨著國家政策扶持和大型廠商的推動(dòng)，鈉離子電池正在快速發(fā)展。例如，中科海納、寧德時(shí)代等國內(nèi)電池廠商已啟動(dòng)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局，2023年將基本形成產(chǎn)業(yè)鏈，并首先向低速電動(dòng)車、固定儲(chǔ)能等應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)力。

06 鈉離子電池寒區(qū)電儲(chǔ)能應(yīng)用發(fā)展建議

目前，鉛酸電池和鋰離子電池被廣泛應(yīng)用在軍事電儲(chǔ)能領(lǐng)域，但二者在低溫環(huán)境下性能衰減嚴(yán)重，難以較好地解決寒區(qū)的軍事電儲(chǔ)能問題。相較來說，新興的鈉離子電池雖然在能量密度和技術(shù)成熟度方面還存在一定不足，但在安全性、低溫性能、功率性能和生產(chǎn)成本等方面具有優(yōu)勢(shì)，可為解決寒區(qū)軍事電儲(chǔ)能問題提供新的選擇方案。

圖2使用雷達(dá)圖直觀對(duì)比了鈉離子電池與常用的磷酸鐵鋰電池和鉛酸電池的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)。其中，鈉離子電池的技術(shù)指標(biāo)主要參考寧德時(shí)代和中科海納等國內(nèi)公司公開報(bào)道的數(shù)據(jù)。除了低成本和安全性優(yōu)勢(shì)略低于鉛酸電池外，鈉離子電池的能量密度、功率密度、循環(huán)壽命和低溫性能均遠(yuǎn)超鉛酸電池。隨著鈉離子電池的大規(guī)模量產(chǎn)，其生產(chǎn)成本將逐漸接近鉛酸電池。并且，鈉離子電池的安全性已經(jīng)滿足了絕大多數(shù)軍用需求，Natron Energy等公司的技術(shù)路線甚至完全避免了熱失控風(fēng)險(xiǎn)。因此，鈉離子電池將首先在軍事電儲(chǔ)能應(yīng)用上對(duì)鉛酸電池進(jìn)行替代。此外，鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池相比，只在能量密度上還具有一定劣勢(shì)，而在安全性、低溫性能和成本方面，將具有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，鈉離子電池將更適用于寒區(qū)的軍事電儲(chǔ)能應(yīng)用。

圖2 ?鈉離子電池與磷酸鐵鋰電池、鉛酸電池的性能指標(biāo)對(duì)比

總體來說，鈉離子電池在安全性、低溫性能、功率性能和成本等方面均具有較大優(yōu)勢(shì)，極有可能為寒區(qū)軍事電儲(chǔ)能應(yīng)用帶來新的發(fā)展機(jī)遇。為此，根據(jù)鈉離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀，以下將分別從鈉離子電池的技術(shù)路線布局與推廣應(yīng)用示范兩個(gè)方面給出建議。

6.1 ?主動(dòng)引導(dǎo)探索鈉離子電池技術(shù)發(fā)展路徑

目前國內(nèi)外多種鈉離子電池技術(shù)路線并駕齊驅(qū)，尚無明確主導(dǎo)的技術(shù)路線。軍隊(duì)?wèi)?yīng)充分考慮寒區(qū)相關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景，緊貼低溫性能、功率性能以及安全性等方面的迫切需求，選擇合適的鈉離子電池技術(shù)路線進(jìn)行布局。

6.1.1? 引導(dǎo)正極材料向高穩(wěn)定性方向發(fā)展

正極材料很大程度上決定了鈉離子電池的基本性能，對(duì)鈉離子電池的技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化至關(guān)重要。目前，層狀過渡金屬氧化物和普魯士藍(lán)類化合物均具有較高的理論容量和倍率性能，已成為國內(nèi)外各大研究機(jī)構(gòu)重點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)的研究方向。然而，目前層狀過渡金屬氧化物和普魯士藍(lán)類化合物在晶格結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面還存在不足，導(dǎo)致其循環(huán)過程中的容量衰減和功率退化速度較快。因此，未來應(yīng)深入研究正極材料的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機(jī)制，并采用晶格結(jié)構(gòu)優(yōu)化、摻雜、表面改性等方式提高鈉離子電池正極材料的穩(wěn)定性，從而延長(zhǎng)其使用壽命，降低全壽命周期的使用成本。

6.1.2? 引導(dǎo)負(fù)極材料向高比容量、高倍率方向發(fā)展

負(fù)極材料對(duì)鈉離子電池的能量密度和快充性能起著關(guān)鍵作用。目前，硬碳材料具有原料豐富、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，得到了業(yè)界高度關(guān)注。然而，由于硬碳結(jié)構(gòu)復(fù)雜，缺乏對(duì)其儲(chǔ)鈉機(jī)制的深入理解，從而難以對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。因此，深入研究硬碳的儲(chǔ)鈉機(jī)理，并在此基礎(chǔ)上持續(xù)提高硬碳材料的比容量和倍率性能是發(fā)展鈉離子電池負(fù)極材料的關(guān)鍵方向之一。此外，雖然鈦基氧化物作為負(fù)極材料時(shí)能量密度較低，但其工作電勢(shì)較高，使得電池在低溫充電或大倍率充電時(shí)發(fā)生負(fù)極析鈉副反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)很低，從而具有更高的低溫性能和快充性能，也值得重點(diǎn)關(guān)注。

6.1.3? 引導(dǎo)電解液向?qū)挏赜颉⒉灰兹茧娊赓|(zhì)方向發(fā)展

電解質(zhì)作為電荷載體，是提高鈉離子電池低溫性能和功率性能的關(guān)鍵。目前，固體電解質(zhì)基本不可燃，具有最高的安全性，但受限于技術(shù)發(fā)展水平，短時(shí)間將難以實(shí)現(xiàn)較好的低溫性能和功率性能。相較來說，傳統(tǒng)有機(jī)液體電解質(zhì)具有優(yōu)異的離子電導(dǎo)率和低溫特性，而且技術(shù)成熟度最高，適合應(yīng)用于低溫、高功率等軍事場(chǎng)景。然而，有機(jī)電解液具有可燃性，存在一定安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，未來應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化電解液成分，如采用阻燃添加劑等方式，進(jìn)一步提高電解液的熱穩(wěn)定性，從而降低有機(jī)電解質(zhì)的燃燒風(fēng)險(xiǎn)，提高電池安全性。

6.2 ?積極推動(dòng)鈉離子電池軍事應(yīng)用示范

目前，鈉離子電池還未完全實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，相關(guān)技術(shù)體系還不夠完善，無法立即大規(guī)模推向?qū)嶋H應(yīng)用。但是，針對(duì)高安全、極低溫、高倍率技術(shù)路線的鈉離子電池，可優(yōu)先推向部分寒區(qū)進(jìn)行電儲(chǔ)能應(yīng)用示范，積極探索出一條解決寒區(qū)電儲(chǔ)能困境的新途徑。

6.2.1? 推動(dòng)鈉離子電池在寒區(qū)軍用儲(chǔ)能電站的應(yīng)用示范

軍用儲(chǔ)能電站一般對(duì)電池的安全性和成本要求較高，而寒區(qū)軍用儲(chǔ)能電站還要求電池具有較好的低溫性能。目前，常用于軍用儲(chǔ)能電站的磷酸鐵鋰電池或鉛碳電池的低溫性能都不太理想，通常需要將電池系統(tǒng)放置在具有保溫功能的室內(nèi)或者配備專門的加熱系統(tǒng)。這都限制了寒區(qū)軍用儲(chǔ)能電站的應(yīng)用場(chǎng)景或者降低了儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量效率。從上文分析可知，鈉離子電池具備優(yōu)異的低溫性能，在低溫下工作可大幅減少保溫或者加熱的需求，而且安全性比磷酸鐵鋰電池更高，大規(guī)模量產(chǎn)后的成本也將顯著低于磷酸鐵鋰電池而接近鉛碳電池。因此，鈉離子電池將為提高寒區(qū)軍用儲(chǔ)能電站發(fā)展水平提供新的機(jī)遇。建議相關(guān)建設(shè)部門充分調(diào)研論證，并在合適時(shí)機(jī)出臺(tái)相關(guān)政策，推進(jìn)鈉離子電池在寒區(qū)軍用儲(chǔ)能電站的應(yīng)用示范。

6.2.2 ?推動(dòng)鈉離子電池在寒區(qū)裝備電源領(lǐng)域的應(yīng)用示范

常用的裝備電源在寒區(qū)的適用性也受到了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)前的應(yīng)急啟動(dòng)電源、通信電源和單兵電源主要使用了功率密度和能量密度較高的鋰離子電池。而在-20 ℃甚至更低溫度下，鋰離子電池的功率性能和容量保持率會(huì)發(fā)生嚴(yán)重衰減，并且在低溫下充電容易因發(fā)生析鋰副反應(yīng)而引發(fā)熱失控風(fēng)險(xiǎn)。相較來說，雖然鈉離子電池在常溫下的能量密度低于鋰離子電池，但由于鈉離子電池具有更好的低溫性能，其在低溫環(huán)境下的性能衰減程度更小，可使得低溫環(huán)境下的實(shí)際功率密度和能量密度顯著高于鋰離子電池。此外，鈉離子電池的安全性也明顯高于鋰離子電池。因此，鈉離子電池將為提高裝備電源的寒區(qū)適用能力提供新的機(jī)遇。建議相關(guān)科研單位密切關(guān)注鈉離子電池的發(fā)展動(dòng)態(tài)，并針對(duì)實(shí)際裝備的用電需求，考慮使用鈉離子電池解決裝備電源的寒區(qū)適用性問題。

結(jié)語

本文深入分析了寒區(qū)部隊(duì)電儲(chǔ)能需求、現(xiàn)狀及存在問題，指出傳統(tǒng)的鋰離子電池和鉛酸電池難以很好滿足寒區(qū)部隊(duì)的相關(guān)電儲(chǔ)能需求。在此基礎(chǔ)上，通過機(jī)理分析和性能指標(biāo)對(duì)比，指出鈉離子電池在安全性、低溫性能、功率性能和成本等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，判斷其在寒區(qū)部隊(duì)電儲(chǔ)能應(yīng)用上具有廣闊前景。下一步，團(tuán)隊(duì)將綜合測(cè)試分析多種鈉離子電池技術(shù)路線，為鈉離子電池的寒區(qū)軍事應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

編輯：黃飛

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