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摘 要 ：鈉離子電池具有資源豐富、成本低廉、能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、維護(hù)費(fèi)用低、安全性好等諸多獨(dú)特的優(yōu)勢，能夠滿足新能源電池領(lǐng)域高性價(jià)比和高安全性等應(yīng)用的要求。然而鈉離子電池作為一種全新的化學(xué)電源體系，在當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化和推向市場之際，國內(nèi)外無任何可供使用的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，這將會嚴(yán)重制約鈉離子電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，迫切需要制定相關(guān)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)鈉離子電池產(chǎn)品的檢驗(yàn)規(guī)范化和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范市場秩序和推動技術(shù)進(jìn)步。本文首先介紹了全球范圍內(nèi)鋰資源和鈉資源的形勢；其次，對鈉離子電池所具有的特性和優(yōu)勢、國內(nèi)外的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展現(xiàn)狀、存在的問題和未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了詳細(xì)說明，并分析了目前全球范圍內(nèi)鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀及可供其參考的其他電池體系已有的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，指出了鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性。最后概括了鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展歷程及借鑒意義，提出了在制定鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)可結(jié)合其產(chǎn)品特點(diǎn)并借鑒鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作的具體建議。
關(guān)鍵詞： 鈉離子電池；標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)業(yè)化
鋰離子電池已經(jīng)被證明是目前市場上最有影響力的電池產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動工具和電動汽車等。近年來，隨著這些行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外鋰離子電池的生產(chǎn)制造規(guī)模達(dá)到了空前高度，并且各大鋰離子電池生產(chǎn)商還在不斷擴(kuò)大其產(chǎn)能，這必然導(dǎo)致鋰資源的大量消耗和價(jià)格上漲，2015年碳酸鋰價(jià)格就一度達(dá)到了14～16萬元/噸。但是鋰并不是一種豐富的資源，在地殼中的豐度僅約為17 ppm(1 ppm=10-6，余同)(圖1)，且分布極不均勻。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)2019年最新報(bào)告顯示，全球鋰資源儲量約6200萬噸，其中南美洲國家阿根廷占比23.87%、玻利維亞占比14.52%、智利占比13.71%，分別位居全球鋰資源儲量前三，被稱為南美洲地區(qū)的“鋰三角”(圖2)。這種鋰資源分布的不均勻性勢必又將導(dǎo)致全球范圍內(nèi)新一輪的“資源戰(zhàn)爭”，而且按照鋰離子電池現(xiàn)在的發(fā)展速度，若不考慮回收，其應(yīng)用將在幾十年后受到鋰資源的嚴(yán)重限制，如果再將鋰離子電池應(yīng)用到大規(guī)模儲能市場，勢必將加速這一過程。
圖1 地殼中部分化學(xué)元素的豐度圖片
圖2 世界主要鋰資源國家的探明儲量和產(chǎn)量占比
眾所周知，元素周期表中鈉與鋰是處于同一主族且具有相似物理化學(xué)性質(zhì)的金屬元素，地球上鈉資源儲量非常豐富，元素含量約為23000 ppm，豐度位于第6位(圖1)，且鈉分布于全球各地，可完全不受資源和地域的限制，所以在資源方面，鈉離子電池比鋰離子電池具有更大的優(yōu)勢。此外，鈉離子與鋰離子在電池體系中具有類似的脫/嵌機(jī)制(圖3)，對鈉離子電池的研究與開發(fā)可緩解由鋰資源短缺引發(fā)的新能源電池發(fā)展受限的問題。雖然在能量密度等方面與目前的鋰離子電池相比還存在差距，然而在低速電動車和儲能應(yīng)用中成本和壽命是比能量密度更重要的指標(biāo)，由此可以判斷，鈉離子電池將在低速電動車、大規(guī)模電力儲能、5G通信基站、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域擁有比鋰離子電池更大的市場競爭優(yōu)勢。
圖3 鈉離子電池的工作原理
1 鈉離子電池特性
盡管鈉是周期表中僅次于鋰的堿金屬元素，但兩者在物理化學(xué)性質(zhì)上的差異(表1)勢必會造成相應(yīng)電極材料在電化學(xué)性能上的差異。較重的鈉離子質(zhì)量和較大的鈉離子半徑致使鈉離子電池的重量和體積能量密度無法完全與鋰離子電池相媲美，而鈉離子較大的離子半徑也會引起電極材料在離子輸運(yùn)、體相結(jié)構(gòu)演變和界面性質(zhì)等方面的差異。因此，為了發(fā)揮鈉離子電池自身的特性和優(yōu)勢，必須探尋不同于鋰離子電池的新的材料體系。
注：1 Å=0.1 nm。
然而，鈉與鋰物理化學(xué)性質(zhì)上的差異所帶來的影響不一定都是負(fù)面的，在某些方面具體其獨(dú)特的優(yōu)勢：①由于鈉離子與過渡金屬元素離子的半徑差異較大，在高溫下更容易與過渡金屬分離形成層狀結(jié)構(gòu)，使其層狀氧化物的堆積方式具有多樣化。含鋰層狀氧化物多為O型結(jié)構(gòu)，而含鈉層狀氧化物具有豐富的O型和P型材料種類；②很多在含鋰層狀氧化物正極中沒有電化學(xué)活性的過渡金屬元素在含鈉層狀氧化物中具有活性。目前僅發(fā)現(xiàn)Mn、Co、Ni三個(gè)元素組成的含鋰層狀氧化物可以可逆充放電，而具有活性的含鈉層狀氧化物種類相對較多，Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等元素均具有活性且表現(xiàn)出多種性質(zhì)；③鈉離子在電極材料中的擴(kuò)散速率并非一定低于鋰離子，擴(kuò)散速率的快慢與電極材料的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；④在充放電過程中，相同構(gòu)型的電極材料由于傳輸離子的差異會產(chǎn)生不同的相變，特別是鈉離子與空位的有序無序分布將產(chǎn)生重要影響；⑤較大的鈉離子半徑不一定會導(dǎo)致電極材料的體積發(fā)生巨大形變；⑥在極性溶劑中鈉離子具有更低的溶劑化能，從而在電解液中具有更快的動力學(xué)，具有更高的電導(dǎo)率。另一方面鈉離子的Stokes半徑比鋰離子的小，相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導(dǎo)率，或者更低濃度電解液可以達(dá)到同樣離子電導(dǎo)率；⑦鈉離子電池在電池充放電過程中鈉不會與鋁產(chǎn)生電化學(xué)合金化反應(yīng)，因此負(fù)極也可以采用鋁箔作為集流體(鋁箔價(jià)格約為銅箔的1/3)，既有利于電池的安全(避免過放引起的集流體氧化且可以過放電至零伏)，又達(dá)到了進(jìn)一步降低電池成本的目的。
此外，鈉離子電池電極極片制作時(shí)，在鋁箔集流體兩面分別涂覆正極材料和負(fù)極材料，并將極片進(jìn)行周期性的疊片，還可以做成雙極性(bi-polar)電池。這在單體電池中實(shí)現(xiàn)了高電壓，可大量節(jié)約其他非活性材料，進(jìn)一步提升電池的能量密度。而且由于鈉離子電池與鋰離子電池相似的結(jié)構(gòu)，在規(guī)?；a(chǎn)中可借鑒鋰離子電池的生產(chǎn)檢測設(shè)備、工藝技術(shù)和制造方法等，可加快鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化速度。鈉離子電池在其他方面性能如高低溫性能、安全性能等方面是否存在其自身特點(diǎn)及獨(dú)特優(yōu)勢，仍需進(jìn)一步挖掘。
2 鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2.1 產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
2010年以來，鈉離子電池受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，鈉離子電池已逐步開始了從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的階段，國內(nèi)外已有超過二十家企業(yè)正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展，主要包括英國FARADION公司、法國NAIADES計(jì)劃團(tuán)體、美國Natron Energy公司、日本岸田化學(xué)、豐田、松下、三菱化學(xué)，以及我國的北京中科海鈉科技有限公司、浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司、遼寧星空鈉電電池有限公司等(圖4)。不同企業(yè)所采用電化學(xué)體系各有不同，其中正極材料體系主要包括層狀氧化物(如銅鐵錳和鎳鐵錳三元材料)、聚陰離子型化合物(如氟磷酸釩鈉)和普魯士藍(lán)類等，負(fù)極材料體系主要包括軟碳、硬碳以及軟硬復(fù)合無定形碳等。
圖4 全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局
英國FARADION公司較早開展鈉離子電池技術(shù)的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作，其正極材料為Ni、Mn、Ti基O3/P2型層狀氧化物，負(fù)極材料采用硬碳?，F(xiàn)已研制出10 A·h軟包電池樣品，能量密度達(dá)到140 W·h/kg，電池平均工作電壓3.2 V，在80%DOD下的循環(huán)壽命預(yù)測可超過1000次。美國Natron Energy公司采用普魯士藍(lán)材料開發(fā)的高倍率水系鈉離子電池，2 C倍率下的循環(huán)壽命達(dá)到了10000次。但普魯士藍(lán)(白)類正極材料壓實(shí)密度較低，生產(chǎn)制作工藝也較復(fù)雜，其體積能量密度僅為50 W·h/L。由CNRS、CEA、VDE、SAFT、Energy RS2E等多家單位共同參與成立的法國NAIADES組織開發(fā)出了基于氟磷酸釩鈉/硬碳體系的1 A·h鈉離子18650電池原型，其工作電壓達(dá)到3.7 V，能量密度90 W·h/kg，1 C倍率下的循環(huán)壽命達(dá)到了4000次。但是釩有毒性且原料成本較高。同時(shí)氟磷酸釩鈉電子電導(dǎo)率偏低，需進(jìn)行碳包覆及納米化，且壓實(shí)密度低。此外，豐田公司電池研究部在2015年5月召開的日本電氣化學(xué)會的電池技術(shù)委員會上也宣布開發(fā)出了新的鈉離子電池正極材料體系。三菱化學(xué)也與東京理科大學(xué)一直在開展關(guān)于鈉離子電池方面的合作研究。
國內(nèi)鈉離子電池技術(shù)研究也一直處于前列，其中浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司制備NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元層狀氧化物正極/硬碳負(fù)極體系的鈉離子軟包電芯能量密度為100～120 W·h/kg，循環(huán)1000次后容量保持率超過92%。依托中國科學(xué)院物理研究所技術(shù)的中科海鈉公司已經(jīng)研制出能量密度超過135 W·h/kg的鈉離子電池，電池平均工作電壓3.2 V，在3 C/3 C、100%DOD循環(huán)1000次后容量保持率91%?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)正、負(fù)極材料的百噸級制備及小批量供貨，鈉離子電芯也具備了MW·h級制造能力，并率先完成了在低速電動車和30 kW/100 kW·h儲能電站的示范應(yīng)用。
2.2 存在的問題及發(fā)展趨勢
鈉離子電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一定程度上可以借鑒鋰離子電池，可謂是“站在了巨人的肩膀上”。然而也要意識到目前在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)和實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的過程中依然面臨著一些挑戰(zhàn)[]：①目前鈉離子電池處于多種材料體系并行發(fā)展的狀態(tài)，而其中一些正、負(fù)極材料體系加工性能等還有待進(jìn)一步提高。其中負(fù)極無定形碳材料還有首周庫侖效率偏低、儲鈉機(jī)理尚未明確等問題。此外，與正負(fù)極材料相匹配的電解液體系的開發(fā)也不足；②雖然目前鈉離子電池的大部分非活性物質(zhì)(集流體、黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑、隔膜、外殼等)可借鑒鋰離子電池成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，但是對于核心的正負(fù)極材料和電解液等活性材料的規(guī)?；?yīng)渠道依然缺失，其來料穩(wěn)定性無法保證，進(jìn)而影響生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；③相比于鋰離子電池，現(xiàn)有的鈉離子電池體系能量密度還較低，單位能量密度下的非活性物質(zhì)用量和成本占比會有一定的增加，致使其活性材料的成本優(yōu)勢無法完全發(fā)揮出來；④鈉離子電池可參照鋰離子電池設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝技術(shù)，但卻無法完全照搬，如鈉離子電池負(fù)極使用鋁箔集流體帶來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、電極制作及裝配工藝等的變化，化成老化工藝區(qū)別等；⑤由于鈉離子電池工作電壓上下限與其他成熟電池體系的差異以及較強(qiáng)的過放電忍耐能力等，現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)無法完全滿足鈉離子電池組的使用要求，需要重新設(shè)計(jì)開發(fā)；⑥目前暫無任何正式的有關(guān)鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范發(fā)布，影響鈉離子電池制造工藝的規(guī)范化及產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，也會導(dǎo)致不同企業(yè)之間的產(chǎn)品難以統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，不利于產(chǎn)品的市場推廣和成本降低。
接下來，鈉離子電池的發(fā)展將會更加注重于解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的工程技術(shù)問題和開發(fā)符合目標(biāo)市場需求的產(chǎn)品，其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢可以從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行考慮。①進(jìn)一步提高正負(fù)極材料體系的綜合性能，并優(yōu)化改性其生產(chǎn)制備工藝，提高材料穩(wěn)定性。優(yōu)化電解液體系，構(gòu)筑更加穩(wěn)定的正極|電解質(zhì)和負(fù)極|電解質(zhì)界面等。②根據(jù)不同應(yīng)用場景逐漸形成對應(yīng)的主流鈉離子電池體系。同時(shí)優(yōu)化電池設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造工藝，降低非活性物質(zhì)的用量，繼續(xù)提高電池能量密度、循環(huán)壽命以及安全性能。③結(jié)合鈉離子電池特點(diǎn)針對性發(fā)展并優(yōu)化適用于鈉離子電池的相關(guān)技術(shù)體系，包括電芯設(shè)計(jì)、極片制作、電解液/隔膜選型、化成老化以及電芯評測等技術(shù)。④根據(jù)鈉離子電池的特性針對性開發(fā)相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升電池組整體壽命以及安全性。同時(shí)優(yōu)化鈉離子電池成組技術(shù)，如開發(fā)鈉離子電池的無模組電池包(CTP)技術(shù)、雙極性電池技術(shù)等。⑤聯(lián)合更多的科研單位及企業(yè)共同攻關(guān)，打通鈉離子電池上下游供應(yīng)鏈，盡早完成針對鈉離子電池的相關(guān)必要標(biāo)準(zhǔn)的制定。⑥調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模，優(yōu)化銷售環(huán)節(jié)，降低鈉離子電池的單位成本，提高市場的接受程度(尤為重要)。
根據(jù)現(xiàn)有的鈉離子電池技術(shù)成熟度和制造規(guī)模水平，將首先從各類低速電動車應(yīng)用領(lǐng)域切入市場，然后隨著鈉離子電池產(chǎn)品技術(shù)的日趨成熟以及產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，其產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用將迎來快速發(fā)展期，并逐步切入到各類儲能應(yīng)用場景，如可再生能源(如風(fēng)能、太陽能)的存儲、數(shù)據(jù)中心、5G通訊基站、家庭和電網(wǎng)規(guī)模儲能等領(lǐng)域。
3 鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
國際標(biāo)準(zhǔn)包括各類國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的世界范圍內(nèi)適用的標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)達(dá)國家的國家標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域性組織的標(biāo)準(zhǔn)、國際上權(quán)威的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)等。我國的標(biāo)準(zhǔn)一般有國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)四級。國際上涉及電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)，主要有國際電工委員會(IEC)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、聯(lián)合國危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸委員會(UN/CETDG)等，我國相關(guān)機(jī)構(gòu)主要有國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院和全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會等。通過這些機(jī)構(gòu)所提供的公開系統(tǒng)進(jìn)行查詢發(fā)現(xiàn)，截至目前，未查詢到有專門針對鈉離子電池有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)等。這主要是由于全球范圍內(nèi)鈉離子電池還處于產(chǎn)業(yè)化的初級階段，上下游產(chǎn)業(yè)鏈還不是十分成熟，導(dǎo)致目前暫無正式的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范推出，但相關(guān)企業(yè)和從業(yè)人員已經(jīng)逐漸開始關(guān)注鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)的布局工作。
鈉離子電池與鋰離子電池有相似的工作原理和電池結(jié)構(gòu)等，可以沿用和借鑒現(xiàn)有已成熟的鋰離子電池生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)鏈。因此，鈉離子電池作為類似產(chǎn)品在一定程度上可以參照鋰離子電池已發(fā)布或引用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。鋰離子電池經(jīng)過二十多年的發(fā)展，其各類國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的覆蓋面已經(jīng)十分廣泛，全面涉及到了電池的術(shù)語和定義、命名規(guī)則、產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求、試驗(yàn)方法、質(zhì)量評定程序、安全及環(huán)境適應(yīng)性能，標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存等方面的內(nèi)容?，F(xiàn)階段鈉離子電池企業(yè)也主要是參照或借鑒這些標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容(表2)，并結(jié)合鈉離子電池自身的特性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來制定各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品規(guī)范，以此規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造工藝、確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，但這也會導(dǎo)致不同企業(yè)之間的產(chǎn)品難以統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，性能和技術(shù)水平參差不齊。
當(dāng)然，鈉離子電池具有其獨(dú)特的性質(zhì)，完全參考鋰離子電池已發(fā)布或引用的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范存在較大的局限性。鈉元素的自然屬性決定了鈉離子電池特性與鋰離子電池不同，主要體現(xiàn)在：①Na+/Na電對的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比Li+/Li高約0.3 V，表現(xiàn)在鈉離子電池工作電壓范圍與鋰離子電池的差異，所有參照標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中與此相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)無法通用，需要進(jìn)行調(diào)整；②鈉離子在電池材料中嵌入與脫出動力學(xué)性能與鋰離子不完全相同，各類標(biāo)準(zhǔn)中涉及到產(chǎn)品性能檢驗(yàn)部分的內(nèi)容需要變更；③鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體，不存在過放電的問題，還可在放空電后甚至是零電壓下運(yùn)輸，因此一些安全測試標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品運(yùn)輸及儲存規(guī)范等也不能通用。綜上所述，專門制定適用于鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)對于其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。
4 鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展及借鑒意義
4.1 鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程
1991年，日本SONY公司首次推出了18650這種標(biāo)準(zhǔn)型的電池型號，開啟了鋰離子電池的商業(yè)化應(yīng)用，并應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品。在我國早期的鋰離子電池應(yīng)用過程中，其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要參照各生產(chǎn)制造企業(yè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，后隨著我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、產(chǎn)品性能不斷提高，亟需制定統(tǒng)一的鋰離子電池行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。
1998年，我國電子工業(yè)部發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SJ/T 11169—1998鋰電池標(biāo)準(zhǔn)》，首次提到了對鋰離子電池的相關(guān)技術(shù)要求，但沒有嚴(yán)格區(qū)分鋰電池(原電池)和鋰離子電池。1999年，我國信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布了第一個(gè)專門針對鋰離子電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YD/T 998.2—1999移動通信手持機(jī)用鋰離子電源及充電器充電器》。隨后在2000年，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭主導(dǎo)了國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T18287—2000蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》的制定，這是全球首部關(guān)于鋰離子電池的國家標(biāo)準(zhǔn)，對推動我國鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展起到了非常重要的作用。至此，鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展首次經(jīng)歷了從企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)再到國家標(biāo)準(zhǔn)的過程。
近年來，隨著鋰離子電池應(yīng)用從傳統(tǒng)的便攜式電子設(shè)備發(fā)展到新能源電動車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域，單一化的標(biāo)準(zhǔn)體系模式已難以適應(yīng)。以綜合標(biāo)準(zhǔn)化為原則，鋰離子電池全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期(包括產(chǎn)品回收)、全應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定工作等正在逐步推進(jìn)。同時(shí)，2018年12月，為適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，有關(guān)單位提出了籌建全國鋰離子電池及類似產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的申請，其中類似產(chǎn)品包括了正在研制開發(fā)的鈉離子電池、鎂離子電池、鋰金屬蓄電池和鋰離子固態(tài)電池等。綜上所述，根據(jù)鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程，作為其類似產(chǎn)品的鈉離子電池的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作是有跡可循的。
4.2 鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系框架
2016年11月，工信部正式發(fā)布了《鋰離子電池綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系》，首次將鋰離子電池及類似產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作納入了統(tǒng)一的宏觀規(guī)劃。該技術(shù)體系將鋰離子電池及類似產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)分為了5種：基礎(chǔ)通用、材料與部件、設(shè)計(jì)與制程、制造與檢測設(shè)備以及電池產(chǎn)品。而作為鋰離子電池的類似產(chǎn)品，鈉離子電池在其標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)時(shí)也可借鑒鋰離子電池的方式建立對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系框架(圖5)，完善其標(biāo)準(zhǔn)體系布局。
圖5 鈉離子電池綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系框架
綜上所述，雖然現(xiàn)有的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范不能在鈉離子電池上通用，但鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展歷程、標(biāo)準(zhǔn)體系的編制原則和構(gòu)成、發(fā)展現(xiàn)狀等對后續(xù)鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)化工作建設(shè)具有非常重要的借鑒和指導(dǎo)意義。
5 對鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展必要性和建議
標(biāo)準(zhǔn)的制定和統(tǒng)一，可規(guī)范專業(yè)用語，起到較好的行業(yè)引領(lǐng)作用，帶來規(guī)?；?yīng)以降低成本，搶占標(biāo)準(zhǔn)化制高點(diǎn)，并有助于服務(wù)企業(yè)，滿足市場需求。同時(shí)電池產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，尤其安全標(biāo)準(zhǔn)是約束產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)，也是規(guī)范市場秩序和推動技術(shù)進(jìn)步的重要手段。近年來，低速電動車以及各類儲能應(yīng)用等領(lǐng)域呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢，鈉離子電池憑借獨(dú)有的優(yōu)勢，其研究及產(chǎn)業(yè)化迎來了前所未有的機(jī)遇。目前已陸續(xù)成功在各目標(biāo)領(lǐng)域開展了示范應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品也在逐步面向市場推開，與鈉離子電池關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)蓄勢待發(fā)，這對制定鈉離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的需求日益迫切。
首先，在無鈉離子電池產(chǎn)品相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)的情況下，當(dāng)鈉離子電池產(chǎn)品開始進(jìn)入市場推廣應(yīng)用時(shí)，應(yīng)由相關(guān)企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)并結(jié)合低速電動車和儲能等目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求制定鈉離子電池產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并上報(bào)有關(guān)行政主管部門審核、備案，以此作為企業(yè)組織產(chǎn)品生產(chǎn)、判定產(chǎn)品質(zhì)量以及銷售的依據(jù)?？蓮膶I(yè)術(shù)語、產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、性能指標(biāo)及檢驗(yàn)方法、使用方法和注意事項(xiàng)以及貯存運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)入手，并參照和借鑒鋰離子電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況開展鈉離子電池產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。
其次，隨著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，建議各級有關(guān)部門將鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)研究列入科技計(jì)劃，給予科研經(jīng)費(fèi)支持，引導(dǎo)鈉離子電池領(lǐng)先企業(yè)投入人力、物力進(jìn)行前瞻性研究和布局。同時(shí)成立專項(xiàng)小組，由領(lǐng)先企業(yè)牽頭起草，在條件成熟適時(shí)推出具備科學(xué)性、適用性和可執(zhí)行性的鈉離子電池相關(guān)國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一并規(guī)范鈉離子電池產(chǎn)品的技術(shù)要求并作為行業(yè)準(zhǔn)入門檻。同時(shí)，在國家提出的“中國標(biāo)準(zhǔn)走出去”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，積極向國際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提交鈉離子電池國際標(biāo)準(zhǔn)的制修訂項(xiàng)目提案，主導(dǎo)或參與制定鈉離子電池相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。并爭取國內(nèi)鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)內(nèi)容被國外標(biāo)準(zhǔn)采納或直接轉(zhuǎn)化為國際標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高我國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)的競爭力，促進(jìn)整個(gè)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的健康、可持續(xù)發(fā)展。
最后，根據(jù)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，逐步細(xì)分并詳細(xì)制定鈉離子電池的各類標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋其產(chǎn)業(yè)鏈和生命周期(圖6)。從鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的角度，可以分為原輔材料、電芯、電池管理系統(tǒng)、電池組、檢測及生產(chǎn)設(shè)備、工廠設(shè)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)；從鈉離子電池生命周期角度，可以分為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存、使用、回收等標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，還應(yīng)該意識到標(biāo)準(zhǔn)是對一定時(shí)期的總結(jié)歸納，用以指導(dǎo)產(chǎn)品技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。但是由于鈉離子電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)新技術(shù)等的不斷出現(xiàn)，原有的標(biāo)準(zhǔn)可能不能完全適應(yīng)，進(jìn)而對產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展起到反作用，此時(shí)需要根據(jù)鈉離子電池的技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)與時(shí)俱進(jìn)，適時(shí)開展相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。
離子電池標(biāo)準(zhǔn)分類
此外，制定鈉離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不僅要基于各階段降成本驅(qū)動抑或是大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等的需求，也要為將來電池回收利用及環(huán)保等方面進(jìn)行考慮；同時(shí)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫及共享體系的建設(shè)，成立公開、透明、關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)共享平臺，并適時(shí)推進(jìn)鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)的國際化，爭取在全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)中掌握優(yōu)先權(quán)和主動權(quán)。
6 結(jié) 語
鈉離子電池應(yīng)用技術(shù)兼具高性價(jià)比和高安全的優(yōu)勢，當(dāng)面對即將到來的大規(guī)模儲能國家戰(zhàn)略需求以及崛起的智能電網(wǎng)覆蓋下的家庭儲能市場時(shí)，可緩解因鋰資源短缺引發(fā)的新能源電池發(fā)展受限的問題，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在新型儲能應(yīng)用中的無鉛化，產(chǎn)業(yè)化前景相當(dāng)樂觀。從競爭格局來看，我國鈉離子電池?zé)o論從技術(shù)水平還是產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度在國際上都處于前列，且擁有鈉離子電池核心技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)，自主創(chuàng)新也是標(biāo)準(zhǔn)的靈魂。產(chǎn)業(yè)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)先行，事實(shí)證明，標(biāo)準(zhǔn)意味著市場認(rèn)可的新技術(shù)與新規(guī)范，主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)者才能占據(jù)市場競爭和行業(yè)的制高點(diǎn)。在這方面，我國已具備較大優(yōu)勢，應(yīng)力爭獲得全球鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)權(quán)，引領(lǐng)鈉離子電池技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展趨勢。
現(xiàn)階段，優(yōu)先支持部分性能優(yōu)異的鈉離子電池產(chǎn)品進(jìn)入國家或地方電池類產(chǎn)品目錄，可盡快推動鈉離子電池的市場化應(yīng)用，為促進(jìn)我國新能源電池行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。而標(biāo)準(zhǔn)則可作為鈉離子電池產(chǎn)品進(jìn)入國家或地方產(chǎn)品目錄的檢驗(yàn)依據(jù)和準(zhǔn)入門檻。因此，制定鈉離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)刻不容緩。
引用本文： 周權(quán),戚興國,陸雅翔等.鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2020,09(05):1225-1233.
ZHOU Quan,QI Xingguo,LU Yaxiang,et al.The necessity of establishing Na-ion battery standards[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(05):1225-1233.
關(guān)鍵詞： 鈉離子電池；標(biāo)準(zhǔn)；產(chǎn)業(yè)化
鋰離子電池已經(jīng)被證明是目前市場上最有影響力的電池產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于便攜式電子產(chǎn)品、電動工具和電動汽車等。近年來，隨著這些行業(yè)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外鋰離子電池的生產(chǎn)制造規(guī)模達(dá)到了空前高度，并且各大鋰離子電池生產(chǎn)商還在不斷擴(kuò)大其產(chǎn)能，這必然導(dǎo)致鋰資源的大量消耗和價(jià)格上漲，2015年碳酸鋰價(jià)格就一度達(dá)到了14～16萬元/噸。但是鋰并不是一種豐富的資源，在地殼中的豐度僅約為17 ppm(1 ppm=10-6，余同)(圖1)，且分布極不均勻。據(jù)美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)2019年最新報(bào)告顯示，全球鋰資源儲量約6200萬噸，其中南美洲國家阿根廷占比23.87%、玻利維亞占比14.52%、智利占比13.71%，分別位居全球鋰資源儲量前三，被稱為南美洲地區(qū)的“鋰三角”(圖2)。這種鋰資源分布的不均勻性勢必又將導(dǎo)致全球范圍內(nèi)新一輪的“資源戰(zhàn)爭”，而且按照鋰離子電池現(xiàn)在的發(fā)展速度，若不考慮回收，其應(yīng)用將在幾十年后受到鋰資源的嚴(yán)重限制，如果再將鋰離子電池應(yīng)用到大規(guī)模儲能市場，勢必將加速這一過程。
圖1 地殼中部分化學(xué)元素的豐度圖片
圖2 世界主要鋰資源國家的探明儲量和產(chǎn)量占比
眾所周知，元素周期表中鈉與鋰是處于同一主族且具有相似物理化學(xué)性質(zhì)的金屬元素，地球上鈉資源儲量非常豐富，元素含量約為23000 ppm，豐度位于第6位(圖1)，且鈉分布于全球各地，可完全不受資源和地域的限制，所以在資源方面，鈉離子電池比鋰離子電池具有更大的優(yōu)勢。此外，鈉離子與鋰離子在電池體系中具有類似的脫/嵌機(jī)制(圖3)，對鈉離子電池的研究與開發(fā)可緩解由鋰資源短缺引發(fā)的新能源電池發(fā)展受限的問題。雖然在能量密度等方面與目前的鋰離子電池相比還存在差距，然而在低速電動車和儲能應(yīng)用中成本和壽命是比能量密度更重要的指標(biāo)，由此可以判斷，鈉離子電池將在低速電動車、大規(guī)模電力儲能、5G通信基站、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域擁有比鋰離子電池更大的市場競爭優(yōu)勢。
圖3 鈉離子電池的工作原理
1 鈉離子電池特性
盡管鈉是周期表中僅次于鋰的堿金屬元素，但兩者在物理化學(xué)性質(zhì)上的差異(表1)勢必會造成相應(yīng)電極材料在電化學(xué)性能上的差異。較重的鈉離子質(zhì)量和較大的鈉離子半徑致使鈉離子電池的重量和體積能量密度無法完全與鋰離子電池相媲美，而鈉離子較大的離子半徑也會引起電極材料在離子輸運(yùn)、體相結(jié)構(gòu)演變和界面性質(zhì)等方面的差異。因此，為了發(fā)揮鈉離子電池自身的特性和優(yōu)勢，必須探尋不同于鋰離子電池的新的材料體系。
表1 鋰與鈉的物理化學(xué)性質(zhì)對比
注：1 Å=0.1 nm。
然而，鈉與鋰物理化學(xué)性質(zhì)上的差異所帶來的影響不一定都是負(fù)面的，在某些方面具體其獨(dú)特的優(yōu)勢：①由于鈉離子與過渡金屬元素離子的半徑差異較大，在高溫下更容易與過渡金屬分離形成層狀結(jié)構(gòu)，使其層狀氧化物的堆積方式具有多樣化。含鋰層狀氧化物多為O型結(jié)構(gòu)，而含鈉層狀氧化物具有豐富的O型和P型材料種類；②很多在含鋰層狀氧化物正極中沒有電化學(xué)活性的過渡金屬元素在含鈉層狀氧化物中具有活性。目前僅發(fā)現(xiàn)Mn、Co、Ni三個(gè)元素組成的含鋰層狀氧化物可以可逆充放電，而具有活性的含鈉層狀氧化物種類相對較多，Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu等元素均具有活性且表現(xiàn)出多種性質(zhì)；③鈉離子在電極材料中的擴(kuò)散速率并非一定低于鋰離子，擴(kuò)散速率的快慢與電極材料的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)；④在充放電過程中，相同構(gòu)型的電極材料由于傳輸離子的差異會產(chǎn)生不同的相變，特別是鈉離子與空位的有序無序分布將產(chǎn)生重要影響；⑤較大的鈉離子半徑不一定會導(dǎo)致電極材料的體積發(fā)生巨大形變；⑥在極性溶劑中鈉離子具有更低的溶劑化能，從而在電解液中具有更快的動力學(xué)，具有更高的電導(dǎo)率。另一方面鈉離子的Stokes半徑比鋰離子的小，相同濃度的電解液具有比鋰鹽電解液更高的離子電導(dǎo)率，或者更低濃度電解液可以達(dá)到同樣離子電導(dǎo)率；⑦鈉離子電池在電池充放電過程中鈉不會與鋁產(chǎn)生電化學(xué)合金化反應(yīng)，因此負(fù)極也可以采用鋁箔作為集流體(鋁箔價(jià)格約為銅箔的1/3)，既有利于電池的安全(避免過放引起的集流體氧化且可以過放電至零伏)，又達(dá)到了進(jìn)一步降低電池成本的目的。
此外，鈉離子電池電極極片制作時(shí)，在鋁箔集流體兩面分別涂覆正極材料和負(fù)極材料，并將極片進(jìn)行周期性的疊片，還可以做成雙極性(bi-polar)電池。這在單體電池中實(shí)現(xiàn)了高電壓，可大量節(jié)約其他非活性材料，進(jìn)一步提升電池的能量密度。而且由于鈉離子電池與鋰離子電池相似的結(jié)構(gòu)，在規(guī)?；a(chǎn)中可借鑒鋰離子電池的生產(chǎn)檢測設(shè)備、工藝技術(shù)和制造方法等，可加快鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化速度。鈉離子電池在其他方面性能如高低溫性能、安全性能等方面是否存在其自身特點(diǎn)及獨(dú)特優(yōu)勢，仍需進(jìn)一步挖掘。
2 鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
2.1 產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀
2010年以來，鈉離子電池受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前，鈉離子電池已逐步開始了從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的階段，國內(nèi)外已有超過二十家企業(yè)正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展，主要包括英國FARADION公司、法國NAIADES計(jì)劃團(tuán)體、美國Natron Energy公司、日本岸田化學(xué)、豐田、松下、三菱化學(xué)，以及我國的北京中科海鈉科技有限公司、浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司、遼寧星空鈉電電池有限公司等(圖4)。不同企業(yè)所采用電化學(xué)體系各有不同，其中正極材料體系主要包括層狀氧化物(如銅鐵錳和鎳鐵錳三元材料)、聚陰離子型化合物(如氟磷酸釩鈉)和普魯士藍(lán)類等，負(fù)極材料體系主要包括軟碳、硬碳以及軟硬復(fù)合無定形碳等。
圖4 全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化布局
英國FARADION公司較早開展鈉離子電池技術(shù)的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化工作，其正極材料為Ni、Mn、Ti基O3/P2型層狀氧化物，負(fù)極材料采用硬碳?，F(xiàn)已研制出10 A·h軟包電池樣品，能量密度達(dá)到140 W·h/kg，電池平均工作電壓3.2 V，在80%DOD下的循環(huán)壽命預(yù)測可超過1000次。美國Natron Energy公司采用普魯士藍(lán)材料開發(fā)的高倍率水系鈉離子電池，2 C倍率下的循環(huán)壽命達(dá)到了10000次。但普魯士藍(lán)(白)類正極材料壓實(shí)密度較低，生產(chǎn)制作工藝也較復(fù)雜，其體積能量密度僅為50 W·h/L。由CNRS、CEA、VDE、SAFT、Energy RS2E等多家單位共同參與成立的法國NAIADES組織開發(fā)出了基于氟磷酸釩鈉/硬碳體系的1 A·h鈉離子18650電池原型，其工作電壓達(dá)到3.7 V，能量密度90 W·h/kg，1 C倍率下的循環(huán)壽命達(dá)到了4000次。但是釩有毒性且原料成本較高。同時(shí)氟磷酸釩鈉電子電導(dǎo)率偏低，需進(jìn)行碳包覆及納米化，且壓實(shí)密度低。此外，豐田公司電池研究部在2015年5月召開的日本電氣化學(xué)會的電池技術(shù)委員會上也宣布開發(fā)出了新的鈉離子電池正極材料體系。三菱化學(xué)也與東京理科大學(xué)一直在開展關(guān)于鈉離子電池方面的合作研究。
國內(nèi)鈉離子電池技術(shù)研究也一直處于前列，其中浙江鈉創(chuàng)新能源有限公司制備NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2三元層狀氧化物正極/硬碳負(fù)極體系的鈉離子軟包電芯能量密度為100～120 W·h/kg，循環(huán)1000次后容量保持率超過92%。依托中國科學(xué)院物理研究所技術(shù)的中科海鈉公司已經(jīng)研制出能量密度超過135 W·h/kg的鈉離子電池，電池平均工作電壓3.2 V，在3 C/3 C、100%DOD循環(huán)1000次后容量保持率91%?，F(xiàn)已實(shí)現(xiàn)正、負(fù)極材料的百噸級制備及小批量供貨，鈉離子電芯也具備了MW·h級制造能力，并率先完成了在低速電動車和30 kW/100 kW·h儲能電站的示范應(yīng)用。
2.2 存在的問題及發(fā)展趨勢
鈉離子電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展一定程度上可以借鑒鋰離子電池，可謂是“站在了巨人的肩膀上”。然而也要意識到目前在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)和實(shí)現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化的過程中依然面臨著一些挑戰(zhàn)[]：①目前鈉離子電池處于多種材料體系并行發(fā)展的狀態(tài)，而其中一些正、負(fù)極材料體系加工性能等還有待進(jìn)一步提高。其中負(fù)極無定形碳材料還有首周庫侖效率偏低、儲鈉機(jī)理尚未明確等問題。此外，與正負(fù)極材料相匹配的電解液體系的開發(fā)也不足；②雖然目前鈉離子電池的大部分非活性物質(zhì)(集流體、黏結(jié)劑、導(dǎo)電劑、隔膜、外殼等)可借鑒鋰離子電池成熟的產(chǎn)業(yè)鏈，但是對于核心的正負(fù)極材料和電解液等活性材料的規(guī)?；?yīng)渠道依然缺失，其來料穩(wěn)定性無法保證，進(jìn)而影響生產(chǎn)工藝過程和產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；③相比于鋰離子電池，現(xiàn)有的鈉離子電池體系能量密度還較低，單位能量密度下的非活性物質(zhì)用量和成本占比會有一定的增加，致使其活性材料的成本優(yōu)勢無法完全發(fā)揮出來；④鈉離子電池可參照鋰離子電池設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝技術(shù)，但卻無法完全照搬，如鈉離子電池負(fù)極使用鋁箔集流體帶來的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、電極制作及裝配工藝等的變化，化成老化工藝區(qū)別等；⑤由于鈉離子電池工作電壓上下限與其他成熟電池體系的差異以及較強(qiáng)的過放電忍耐能力等，現(xiàn)有的電池管理系統(tǒng)無法完全滿足鈉離子電池組的使用要求，需要重新設(shè)計(jì)開發(fā)；⑥目前暫無任何正式的有關(guān)鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范發(fā)布，影響鈉離子電池制造工藝的規(guī)范化及產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，也會導(dǎo)致不同企業(yè)之間的產(chǎn)品難以統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，不利于產(chǎn)品的市場推廣和成本降低。
接下來，鈉離子電池的發(fā)展將會更加注重于解決產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中的工程技術(shù)問題和開發(fā)符合目標(biāo)市場需求的產(chǎn)品，其相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢可以從以下幾個(gè)方面來進(jìn)行考慮。①進(jìn)一步提高正負(fù)極材料體系的綜合性能，并優(yōu)化改性其生產(chǎn)制備工藝，提高材料穩(wěn)定性。優(yōu)化電解液體系，構(gòu)筑更加穩(wěn)定的正極|電解質(zhì)和負(fù)極|電解質(zhì)界面等。②根據(jù)不同應(yīng)用場景逐漸形成對應(yīng)的主流鈉離子電池體系。同時(shí)優(yōu)化電池設(shè)計(jì)及生產(chǎn)制造工藝，降低非活性物質(zhì)的用量，繼續(xù)提高電池能量密度、循環(huán)壽命以及安全性能。③結(jié)合鈉離子電池特點(diǎn)針對性發(fā)展并優(yōu)化適用于鈉離子電池的相關(guān)技術(shù)體系，包括電芯設(shè)計(jì)、極片制作、電解液/隔膜選型、化成老化以及電芯評測等技術(shù)。④根據(jù)鈉離子電池的特性針對性開發(fā)相應(yīng)的電池管理系統(tǒng)，以進(jìn)一步提升電池組整體壽命以及安全性。同時(shí)優(yōu)化鈉離子電池成組技術(shù)，如開發(fā)鈉離子電池的無模組電池包(CTP)技術(shù)、雙極性電池技術(shù)等。⑤聯(lián)合更多的科研單位及企業(yè)共同攻關(guān)，打通鈉離子電池上下游供應(yīng)鏈，盡早完成針對鈉離子電池的相關(guān)必要標(biāo)準(zhǔn)的制定。⑥調(diào)整生產(chǎn)規(guī)模，優(yōu)化銷售環(huán)節(jié)，降低鈉離子電池的單位成本，提高市場的接受程度(尤為重要)。
根據(jù)現(xiàn)有的鈉離子電池技術(shù)成熟度和制造規(guī)模水平，將首先從各類低速電動車應(yīng)用領(lǐng)域切入市場，然后隨著鈉離子電池產(chǎn)品技術(shù)的日趨成熟以及產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，其產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用將迎來快速發(fā)展期，并逐步切入到各類儲能應(yīng)用場景，如可再生能源(如風(fēng)能、太陽能)的存儲、數(shù)據(jù)中心、5G通訊基站、家庭和電網(wǎng)規(guī)模儲能等領(lǐng)域。
3 鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀
國際標(biāo)準(zhǔn)包括各類國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定的世界范圍內(nèi)適用的標(biāo)準(zhǔn)、發(fā)達(dá)國家的國家標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域性組織的標(biāo)準(zhǔn)、國際上權(quán)威的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)等。我國的標(biāo)準(zhǔn)一般有國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、地方標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)四級。國際上涉及電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)構(gòu)，主要有國際電工委員會(IEC)，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、聯(lián)合國危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸委員會(UN/CETDG)等，我國相關(guān)機(jī)構(gòu)主要有國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院和全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會等。通過這些機(jī)構(gòu)所提供的公開系統(tǒng)進(jìn)行查詢發(fā)現(xiàn)，截至目前，未查詢到有專門針對鈉離子電池有關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)及地方標(biāo)準(zhǔn)等。這主要是由于全球范圍內(nèi)鈉離子電池還處于產(chǎn)業(yè)化的初級階段，上下游產(chǎn)業(yè)鏈還不是十分成熟，導(dǎo)致目前暫無正式的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范推出，但相關(guān)企業(yè)和從業(yè)人員已經(jīng)逐漸開始關(guān)注鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)的布局工作。
鈉離子電池與鋰離子電池有相似的工作原理和電池結(jié)構(gòu)等，可以沿用和借鑒現(xiàn)有已成熟的鋰離子電池生產(chǎn)工藝和產(chǎn)業(yè)鏈。因此，鈉離子電池作為類似產(chǎn)品在一定程度上可以參照鋰離子電池已發(fā)布或引用的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。鋰離子電池經(jīng)過二十多年的發(fā)展，其各類國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的覆蓋面已經(jīng)十分廣泛，全面涉及到了電池的術(shù)語和定義、命名規(guī)則、產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求、試驗(yàn)方法、質(zhì)量評定程序、安全及環(huán)境適應(yīng)性能，標(biāo)志、包裝、運(yùn)輸和貯存等方面的內(nèi)容?，F(xiàn)階段鈉離子電池企業(yè)也主要是參照或借鑒這些標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的相關(guān)內(nèi)容(表2)，并結(jié)合鈉離子電池自身的特性和產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來制定各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品規(guī)范，以此規(guī)范產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造工藝、確保產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，但這也會導(dǎo)致不同企業(yè)之間的產(chǎn)品難以統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化，性能和技術(shù)水平參差不齊。
表2 可供鈉離子電池參考的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)然，鈉離子電池具有其獨(dú)特的性質(zhì)，完全參考鋰離子電池已發(fā)布或引用的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范存在較大的局限性。鈉元素的自然屬性決定了鈉離子電池特性與鋰離子電池不同，主要體現(xiàn)在：①Na+/Na電對的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比Li+/Li高約0.3 V，表現(xiàn)在鈉離子電池工作電壓范圍與鋰離子電池的差異，所有參照標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范中與此相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)無法通用，需要進(jìn)行調(diào)整；②鈉離子在電池材料中嵌入與脫出動力學(xué)性能與鋰離子不完全相同，各類標(biāo)準(zhǔn)中涉及到產(chǎn)品性能檢驗(yàn)部分的內(nèi)容需要變更；③鈉離子電池可以采用鋁箔作為負(fù)極集流體，不存在過放電的問題，還可在放空電后甚至是零電壓下運(yùn)輸，因此一些安全測試標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品運(yùn)輸及儲存規(guī)范等也不能通用。綜上所述，專門制定適用于鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)對于其技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展意義重大。
4 鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展及借鑒意義
4.1 鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程
1991年，日本SONY公司首次推出了18650這種標(biāo)準(zhǔn)型的電池型號，開啟了鋰離子電池的商業(yè)化應(yīng)用，并應(yīng)用于筆記本電腦、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等便攜式電子產(chǎn)品。在我國早期的鋰離子電池應(yīng)用過程中，其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要參照各生產(chǎn)制造企業(yè)的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，后隨著我國鋰離子電池產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大、產(chǎn)品性能不斷提高，亟需制定統(tǒng)一的鋰離子電池行業(yè)或國家標(biāo)準(zhǔn)。
1998年，我國電子工業(yè)部發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《SJ/T 11169—1998鋰電池標(biāo)準(zhǔn)》，首次提到了對鋰離子電池的相關(guān)技術(shù)要求，但沒有嚴(yán)格區(qū)分鋰電池(原電池)和鋰離子電池。1999年，我國信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布了第一個(gè)專門針對鋰離子電池的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《YD/T 998.2—1999移動通信手持機(jī)用鋰離子電源及充電器充電器》。隨后在2000年，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭主導(dǎo)了國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T18287—2000蜂窩電話用鋰離子電池總規(guī)范》的制定，這是全球首部關(guān)于鋰離子電池的國家標(biāo)準(zhǔn)，對推動我國鋰離子電池的產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展起到了非常重要的作用。至此，鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展首次經(jīng)歷了從企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)再到國家標(biāo)準(zhǔn)的過程。
近年來，隨著鋰離子電池應(yīng)用從傳統(tǒng)的便攜式電子設(shè)備發(fā)展到新能源電動車、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域，單一化的標(biāo)準(zhǔn)體系模式已難以適應(yīng)。以綜合標(biāo)準(zhǔn)化為原則，鋰離子電池全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期(包括產(chǎn)品回收)、全應(yīng)用領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制定工作等正在逐步推進(jìn)。同時(shí)，2018年12月，為適應(yīng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，有關(guān)單位提出了籌建全國鋰離子電池及類似產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會的申請，其中類似產(chǎn)品包括了正在研制開發(fā)的鈉離子電池、鎂離子電池、鋰金屬蓄電池和鋰離子固態(tài)電池等。綜上所述，根據(jù)鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程，作為其類似產(chǎn)品的鈉離子電池的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作是有跡可循的。
4.2 鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系框架
2016年11月，工信部正式發(fā)布了《鋰離子電池綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系》，首次將鋰離子電池及類似產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化工作納入了統(tǒng)一的宏觀規(guī)劃。該技術(shù)體系將鋰離子電池及類似產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)分為了5種：基礎(chǔ)通用、材料與部件、設(shè)計(jì)與制程、制造與檢測設(shè)備以及電池產(chǎn)品。而作為鋰離子電池的類似產(chǎn)品，鈉離子電池在其標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)時(shí)也可借鑒鋰離子電池的方式建立對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)體系框架(圖5)，完善其標(biāo)準(zhǔn)體系布局。
圖5 鈉離子電池綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系框架
綜上所述，雖然現(xiàn)有的鋰離子電池標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范不能在鈉離子電池上通用，但鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)化工作的發(fā)展歷程、標(biāo)準(zhǔn)體系的編制原則和構(gòu)成、發(fā)展現(xiàn)狀等對后續(xù)鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)化工作建設(shè)具有非常重要的借鑒和指導(dǎo)意義。
5 對鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展必要性和建議
標(biāo)準(zhǔn)的制定和統(tǒng)一，可規(guī)范專業(yè)用語，起到較好的行業(yè)引領(lǐng)作用，帶來規(guī)?；?yīng)以降低成本，搶占標(biāo)準(zhǔn)化制高點(diǎn)，并有助于服務(wù)企業(yè)，滿足市場需求。同時(shí)電池產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，尤其安全標(biāo)準(zhǔn)是約束產(chǎn)品質(zhì)量的重要依據(jù)，也是規(guī)范市場秩序和推動技術(shù)進(jìn)步的重要手段。近年來，低速電動車以及各類儲能應(yīng)用等領(lǐng)域呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢，鈉離子電池憑借獨(dú)有的優(yōu)勢，其研究及產(chǎn)業(yè)化迎來了前所未有的機(jī)遇。目前已陸續(xù)成功在各目標(biāo)領(lǐng)域開展了示范應(yīng)用，相關(guān)產(chǎn)品也在逐步面向市場推開，與鈉離子電池關(guān)聯(lián)的產(chǎn)業(yè)蓄勢待發(fā)，這對制定鈉離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的需求日益迫切。
首先，在無鈉離子電池產(chǎn)品相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和地方標(biāo)準(zhǔn)的情況下，當(dāng)鈉離子電池產(chǎn)品開始進(jìn)入市場推廣應(yīng)用時(shí)，應(yīng)由相關(guān)企業(yè)根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)并結(jié)合低速電動車和儲能等目標(biāo)應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求制定鈉離子電池產(chǎn)品的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并上報(bào)有關(guān)行政主管部門審核、備案，以此作為企業(yè)組織產(chǎn)品生產(chǎn)、判定產(chǎn)品質(zhì)量以及銷售的依據(jù)?？蓮膶I(yè)術(shù)語、產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、性能指標(biāo)及檢驗(yàn)方法、使用方法和注意事項(xiàng)以及貯存運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)入手，并參照和借鑒鋰離子電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況開展鈉離子電池產(chǎn)品企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定工作。
其次，隨著鈉離子電池產(chǎn)業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，建議各級有關(guān)部門將鈉離子電池的標(biāo)準(zhǔn)研究列入科技計(jì)劃，給予科研經(jīng)費(fèi)支持，引導(dǎo)鈉離子電池領(lǐng)先企業(yè)投入人力、物力進(jìn)行前瞻性研究和布局。同時(shí)成立專項(xiàng)小組，由領(lǐng)先企業(yè)牽頭起草，在條件成熟適時(shí)推出具備科學(xué)性、適用性和可執(zhí)行性的鈉離子電池相關(guān)國家、行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)一并規(guī)范鈉離子電池產(chǎn)品的技術(shù)要求并作為行業(yè)準(zhǔn)入門檻。同時(shí)，在國家提出的“中國標(biāo)準(zhǔn)走出去”戰(zhàn)略指導(dǎo)下，積極向國際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)提交鈉離子電池國際標(biāo)準(zhǔn)的制修訂項(xiàng)目提案，主導(dǎo)或參與制定鈉離子電池相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。并爭取國內(nèi)鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)內(nèi)容被國外標(biāo)準(zhǔn)采納或直接轉(zhuǎn)化為國際標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而提高我國鈉離子電池產(chǎn)業(yè)的競爭力，促進(jìn)整個(gè)鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的健康、可持續(xù)發(fā)展。
最后，根據(jù)產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，逐步細(xì)分并詳細(xì)制定鈉離子電池的各類標(biāo)準(zhǔn)，覆蓋其產(chǎn)業(yè)鏈和生命周期(圖6)。從鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的角度，可以分為原輔材料、電芯、電池管理系統(tǒng)、電池組、檢測及生產(chǎn)設(shè)備、工廠設(shè)計(jì)等標(biāo)準(zhǔn)；從鈉離子電池生命周期角度，可以分為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)輸、貯存、使用、回收等標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，還應(yīng)該意識到標(biāo)準(zhǔn)是對一定時(shí)期的總結(jié)歸納，用以指導(dǎo)產(chǎn)品技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。但是由于鈉離子電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，相關(guān)新技術(shù)等的不斷出現(xiàn)，原有的標(biāo)準(zhǔn)可能不能完全適應(yīng)，進(jìn)而對產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展起到反作用，此時(shí)需要根據(jù)鈉離子電池的技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)與時(shí)俱進(jìn)，適時(shí)開展相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作。
離子電池標(biāo)準(zhǔn)分類
此外，制定鈉離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)不僅要基于各階段降成本驅(qū)動抑或是大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等的需求，也要為將來電池回收利用及環(huán)保等方面進(jìn)行考慮；同時(shí)加強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫及共享體系的建設(shè)，成立公開、透明、關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)共享平臺，并適時(shí)推進(jìn)鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)的國際化，爭取在全球鈉離子電池產(chǎn)業(yè)中掌握優(yōu)先權(quán)和主動權(quán)。
6 結(jié) 語
鈉離子電池應(yīng)用技術(shù)兼具高性價(jià)比和高安全的優(yōu)勢，當(dāng)面對即將到來的大規(guī)模儲能國家戰(zhàn)略需求以及崛起的智能電網(wǎng)覆蓋下的家庭儲能市場時(shí)，可緩解因鋰資源短缺引發(fā)的新能源電池發(fā)展受限的問題，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在新型儲能應(yīng)用中的無鉛化，產(chǎn)業(yè)化前景相當(dāng)樂觀。從競爭格局來看，我國鈉離子電池?zé)o論從技術(shù)水平還是產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度在國際上都處于前列，且擁有鈉離子電池核心技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)，自主創(chuàng)新也是標(biāo)準(zhǔn)的靈魂。產(chǎn)業(yè)發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)先行，事實(shí)證明，標(biāo)準(zhǔn)意味著市場認(rèn)可的新技術(shù)與新規(guī)范，主導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)者才能占據(jù)市場競爭和行業(yè)的制高點(diǎn)。在這方面，我國已具備較大優(yōu)勢，應(yīng)力爭獲得全球鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)權(quán)，引領(lǐng)鈉離子電池技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展趨勢。
現(xiàn)階段，優(yōu)先支持部分性能優(yōu)異的鈉離子電池產(chǎn)品進(jìn)入國家或地方電池類產(chǎn)品目錄，可盡快推動鈉離子電池的市場化應(yīng)用，為促進(jìn)我國新能源電池行業(yè)的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。而標(biāo)準(zhǔn)則可作為鈉離子電池產(chǎn)品進(jìn)入國家或地方產(chǎn)品目錄的檢驗(yàn)依據(jù)和準(zhǔn)入門檻。因此，制定鈉離子電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)刻不容緩。
引用本文： 周權(quán),戚興國,陸雅翔等.鈉離子電池標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2020,09(05):1225-1233.
ZHOU Quan,QI Xingguo,LU Yaxiang,et al.The necessity of establishing Na-ion battery standards[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(05):1225-1233.
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