一、前言

10月24日下午，2024宁德时代超级增混电池品牌暨新品发布会召开。

宁德时代从增混车型的诞生之初，就高度重视增混电池的研发。宁德时代相关负责人称：“这些年我们不断增加研发投入，不断联合主机厂商、合作伙伴，推出了一代又一代的新技术新产品。”。

从市场现状来看，增混车型的发展也面临一些问题：第一是纯电续航短，一般只能在市内跑，需要频繁充电；第二是低温性能弱，冬天续航降能力降的快，基本上要“打对折”；第三是充电速度慢，由于增混车型普遍没有快充，所以尽管电池小，但充电速度和纯电大电池的汽车没有太大区别。

为了解决上述问题，宁德时代发布了“骁遥”超级增混电池，这是全球首款纯电续航达到400公里以上，且兼具4C超充功能的增混电池，充电10分钟就能够续航280公里，可以跑一周，实现了“充电一刻，骁遥七日”。

“骁遥”超级增混电池实现了钠离子电池技术的商业化应用，可以在零下40摄氏度的极寒环境下实现电池可放电，在零下30摄氏度的条件下可以充电，在零下20摄氏度时仍能够提供强劲的动力输出，与常温状态基本没有区别。

二、那么什么是钠离子电池？

钠离子电池，是一种二次电池，依靠钠离子在正极和负极之间移动来进行充电和放电，工作原理、制造工艺与锂电池相似，均属于摇椅式电池。主要由正负极材料、电解质、隔膜和外壳构成。与锂电相比，钠电产品优势在于资源可获得性强，成规模综合成本有优势，倍率性能优异及低温容量保持率高。

下表中以常规磷酸铁锂电池为模板对比钠离子电池特性。

钠离子电池原理及反应式:钠离子电池本质与锂离子电池一样，初始未充放电时，正极为富钠材料，负极为贫钠材料；充电时，钠离子从正极脱出，经过电解液和隔膜嵌入负极，电子经外电路补偿到负极，保证正负极电荷平衡；放电时则相反。

三、钠离子电池的分类

1.按照正极材料体系分类

按照正极材料体系的晶体结构，可将钠离子电池分为氧化物类（包括层状结构和隧道结构）、普鲁士蓝类、氟化磷酸盐类、磷酸盐类、硫酸盐类、有机化合物类的钠离子电池。目前研究较多的主要有层状过渡金属氧化物、聚阴离子类以及普鲁士蓝类这三种技术路线，类似于锂离子电池的正极材料，大部分钠离子电池正极材料也都包括可变价的过渡金属元素，不同过渡金属元素在不同的晶体结构中表现出的氧化还原电势不同，可得失电子数也不相同。

上图总结了上述三类常见的钠离子电池正极材料的基本电化学参数。其中层状氧化物类具有周期性层状结构，制备方法简单、容量和电压较高，是钠离子电池的主要正极材料，因其比容量和能量密度较高且制作成本较低使其有望成为主流的钠离子电池体系，具有良好的应用前景。除此之外，通过晶格氧的反应还可以提高这类材料的能量密度，不过层状材料大多容易吸水或者与空气反应，影响结构的稳定性和电化学性能，不能长期存放在空气中。聚阴离子正极材料大多具有开放的三维骨架、较好的倍率性能及循环性能。其中氟磷酸盐具有较高的氧化还原电位，但在制造和回收过程中氟可能会腐蚀设备及对环境产生影响。对于聚阴离子型化合物，导电性一般较差，为提高其电子电导性往往需要采取纳米化结合碳包覆等手段进行改善，这将导致其体积能量密度偏低。普鲁士蓝是近年来发展起来的具有较大潜力的新型正极材料，具有开放型三维通道（框架结构），使得Na+在隧道中可以快速迁移，因此具有较好的结构稳定性和大电流输出性能。然而普鲁士蓝化合物距离实用化还需要解决很多问题，比如结晶水难以除去以及过渡金属溶解等问题。有机类正极材料一般由于多电子反应的特点具有较高的比容量，可以可逆地实现Na+脱出和嵌入；但是其动力学较为缓慢，电子电导大多较差，同时还可能会溶解于电解液中，这类材料的性能还需进一步提高。除了以上材料，转换类材料如过渡金属硒化物、卤化物和硫化物等，可以实现多电子转移反应，容量普遍较高；但是这类材料的缺点也很明显，如电子电导率低、动力学缓慢、体积变化大、电压滞后严重、工作电压低等，这些限制了其实际应用。

2.按照负极材料体系分类

负极材料是充电过程中主要的钠离子储存载体，按照其存储特性，钠离子电池可分为碳基类、嵌入型的钛基类、有机类、合金及转换类钠离子电，如下图所示。

碳基类是目前最有可能实现应用的钠离子电池负极材料体系。目前可以作电池负极材料的碳基类材料主要包括石墨、无定形碳和碳纳米管等。但是由于热力学原因，钠离子无法嵌入到石墨层间与碳形成稳定的化合物，因此钠离子电池难以使用石墨作为负极材料。碳纳米材料主要包括石墨烯、碳纳米管等，依靠表面吸附实现钠的存储，可以实现快速充放电，但是存在库仑效率非常低、循环性差等问题使其难以获得实际应用。层间距较大的无定形碳材料因具有较高的储钠容量、较低的储钠电位、优异的循环稳定性，成为了最有应用前景的钠离子电池负极材料，其主要包括软碳、硬碳以及软硬复合碳等无定形碳材料。

嵌入型的钛基材料在空气中的稳定性好，且Ti⁴⁺/Ti³⁺的氧化还原电位处于0V~2 V（vs. Na⁺/Na）之间，不同结构中表现出的储钠电位不一样，作为钠离子电池负极材料的重要研究对象，钛基材料得到了广泛的关注。

有机化合物具有丰富的化学组成，原材料来源广泛，成本低廉，对环境友好，并具有可调的电化学窗口以及多电子反应，作为钠离子电池负极材料引起了研究者的极大兴趣。但是有机化合物的最大问题在于材料的电子电导比较差并且易溶于电解液。如何提高材料的电子电导率是解决有机化合物实用化的关键。尽管在容量和工作电压方面，羧酸类有机分子可以提供相对较好的电化学性能，但是倍率性能和循环性能仍然有待提高。通过调整分子结构，表面涂覆，聚合等方式提高钠离子电池有机负极材料性能是这类材料的研究重点。

Na-M（M=Si、Ge、Sn、Pb、P、As、Sb、Bi）合金类材料作为钠离子电池负极材料，具有较高的理论容量，较低的储钠电位，良好的导电性，此外还可以避免由钠单质产生的枝晶问题，使其安全性得以提高。钠合金的出现在一定程度上解决了金属钠负极可能存在的安全隐患，但是钠合金在反复的循环过程中会出现较大的体积变化，电极材料会逐渐粉化，电池容量迅速衰减，因此，对于合金类材料而言，提高其循环稳定性是研究的重点。钠合金用作钠二次电池负极材料还有很长的路要走。

其它材料，包括金属氧化物（如Fe2O3、CuO、CoO、MoO3、NiCo2O4 等）和硫化物（如MoS2、SnS 等）。金属氧化物类负极材料自身导电性较差，存在易团聚和转化反应不可逆等问题，在循环过程中会产生较大的体积膨胀，破坏电极材料的完整性，导致较差的循环稳定性和倍率性能。因此，需要设计一些新型的具备微纳结构的金属氧化物以改善材料的电化学性能。

3.按照电解液体系分类

网按照电解质的种类进行分类，可将钠离子电池分为固态钠离子电池和液态钠离子电池，其中液态钠离子电池又包括水系钠离子电池和非水系钠离子电池。详细对比如下表所示。

钠离子电池除了按照材料体系进行分类，一般还可以根据电池使用的封装形式来进行分类，具体到电池结构方面，主要可分为圆柱、软包装和方形硬壳这三大类，若不考虑具体工艺，该三类基本与锂离子电池相同。

四、钠离子电池的特性

1.高低温特性

相比与锂离子电池，钠离子电池的低温性能要优异的多，钠离子电池离子半径比锂离子大，所以钠离子的脱溶剂化能比较低，低温时脱溶剂化的过程也更快，钠离子电解质溶液盐的浓度会更低，在低温的离子电导率将对更高，粘度更低。

其次钠离子电池的电解质通常采用无机盐或水性溶液。这些电解质具有更高的离子电导率和更低的冻结温度，从而有效防止电解质冻结和损坏电极，从而保障了钠离子电池的低温性能。

钠离子的离子导电率高，电解液的浓度要求更低，低温时电解液粘度比锂离子电池更低。相比于锂离子电池 -20℃ 到 60℃ 的工作温度区间， 钠离子电池可以在 -40℃ 到 80℃ 的温度区间正常工作。

2.安全特性

相比其他电池，钠离子电池稳定性更高，更不易出现热失控等情况。锂离子电池在较高电流密度下容易产生枝晶，这些枝晶可能会刺穿电池内部结构，导致短路和自燃。而钠离子电池产生枝晶的概率较低，因此它们不太可能发生此类安全问题。此外，钠离子电池在宽广的温度范围内（从-40°C到80°C）都能正常工作，即使在-20°C的环境下，其容量保持率接近90%，这也显示了它们的高低温性能优于其他二次电池。

钠离子电池热失控温度更高，在高温环境下容易因为钝化、氧化而不自燃。钠盐电解质的电化学窗口较大，电解质在参与反应的过程中分解的可能性更低，电池系统稳定性更高。钠离子电池化学允许在阳极使用金属铝作为集流体，能有效避免石墨基锂离子电池的过放电问题。且钠离子电池的内阻比锂电池高，所以其在 短路的情况下瞬时发热量少，温升较低，热失控温度高于锂电池，具备更高的安全性。

注：文章中引用数据和图片来源网络