1。2 电化学储能技术

1。2。1 电化学储能概述

储能技术通过在时间和空间上调节能源能量，使得能源释放的能量稳定可靠，可以高效 地将电力储存进供电系统中。现存的储能方式主要有四大类，机械储能、电磁储能、相变储 能和电化学储能[5]。与其他三种储能技术相比，电化学储能技术具有一些列优点，如成本低 廉、简单快捷、安全高效、应用灵活等，最符合当今能源的发展方向。电化学储能已经发展 了很长时间，历史悠久，储能技术也已经较为成熟。化学能是能量密度最合适的能量储存形 式，而电池正好作为电能与化学能相互转换的储能装置，具有高效率转换并且没有废气排放 的特点，因此，一些低成本、安全高效、具有足够的电压窗口、比容量、循环和倍率性能的 二次电池备受关注，比较常用有镍氢电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池[6]。

1。2。2 锂离子电池储能的优势与难以解决的问题

在各种可用的能源存储技术中，锂离子电池凭借其极大的能量密度和输出电压特性已经 吸引了所有的注意力。锂离子电池在储能方面具有一系列优势，比如它正常工作的温度范围 很广、正常工作时电压窗口很宽、循环寿命很长、自放电非常小并且没有记忆效应等。

但是它仍然存在着很多尚未解决的问题, 如身为液体电池安全性问题、锂资源的可用性 以及未来成本问题等，随着低排放的混合动力电动汽车的广泛应用，锂离子电池的需求的量

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将大大增加，相对应的锂的需求量也大大增加。虽然锂离子电池适度扩张可以满足 1 MM 40 kWh 的混合动力电动汽车的需求，但是想要完成电动汽车电池长期的需求，锂离子的电池的 年产量每年都要有个急剧的扩张（超过一个数量级）[7]。我们要面对的主要问题并不只是在 全球范围内锂的储量都十分有限，还有全球有百分之多少的锂储量是可以被我们有效利用 的，且从经济方面考虑也是值得的[8]。锂在地球上分布地很不均匀，大部分未开发的储藏着 锂的地区都是些偏远地区抑或是政治较为敏感的地区。想要大规模的开采锂则需要很长的时 间和很大的资金投入，而且可能获得的锂资源质量较低，还需投入较高的附加成本去提取和 处理。在开发过程中，时间成本、资金投入以及风险都是极大的。目前，高成本仍是锂离子 电池普遍投入生产的关键障碍，这个因素也将大大制约智能电网和可再生绿色能源大规模储 能的发展，是一个亟需解决的瓶颈问题[9-11]。

不可否认的是，能源生产和储存已成为我们日常生活中的主要问题。电池的挑战是双重 的。首先，对便携式电子设备和零排放汽车供电系统的需求不断增加，刺激对高能量和高电 压系统的研究。其次，低成本的电池是必需的，以推进智能电网，整合不连续的能量流从可 再生能源，优化性能的清洁能源。在目前的能源框架中，想要面对能源挑战世界就必须采取 可持续发展的战略[12]。最近关于锂离子电池生产的可行性以及对环境的影响的争论还在继 续，受到了广泛关注。考虑到锂资源短缺问题与电动汽车的普及之间的矛盾，迫切需要寻找 下一代综合性能优异的能源存储系统，来替代或者补充现有的锂离子技术。

1。2。3 钠离子电池用于大规模储能的可能性与问题

必须寻求成本较低，资源丰富、性能优良的替代品，钠离子技术可作为一个值得考虑的 用于大规模储能的合适选择。首先，钠离子电池可以成为降低成本的关键，相对于锂资源来 说，钠在地球上的分布十分广泛，约占地壳储量的 2。64%[13]。丰富得资源加上简单的提炼工 艺使得其价格十分低廉。其次，锂元素和钠元素在元素周期表中处于相邻周期的同一主族， 其物理化学性质十分相似，因此钠离子电池和锂离子电池的工作原理也是类似的。充电时， 钠离子从电池的正极材料中脱出，经过电解质的扩散到达电池的负极，嵌入到负极材料中， 与此同时，电子经由外电路从正极运动到负极，保证电路中电荷守恒；放电时则与上面的过 程正好相反，钠离子从电池的负极材料中脱出，经过电解质的扩散到达电池的正极，嵌入到 正极材料中，与此同时，电子经由外电路从正极运动到负极，保证电路中电荷守恒[14-17]。在 充放电过程中，钠离子在正负极间的可逆地嵌入脱出，基本上不破坏正负电极材料的化学结 构，钠离子电池反应也是一种理想的可逆反应[18]。相似的嵌入脱出过程，使得两个系统可以 使用非常相似的化合物，可以借鉴发展已相对成熟的锂离子电池材料来制备相应的钠离子电