锂电池想必大家都不陌生，三元锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池等品类还能说道一二，但要提起他的“孪生兄弟”钠电池，相信大多数人可能就不那么熟悉了。

  那么在锂电池如日中天的当下，冷落了许久的“钠电池”为何又开始受到业界关注了呢？

  正好借着近日100千瓦/200千瓦时水系钠离子储能系统在金华投运的机会，小e带大家一探究竟。

  首先，我们先搞明白什么是水系钠离子电池。

  “水系”顾名思义就是用水作为电解质，由钠离子在正负极之间来回移动，从而完成充放电的一种电池。

水系钠离子电池原理图

  和锂电池的工作原理如出一辙，都属于“摇椅式”二次电池（即可反复充放电），但差别就在于介质不同和电解液不同，一个用锂离子，一个用钠离子，一个用有机溶剂，一个直接用水。

  相较锂电池，水系钠离子电池有什么突出的优势呢？

  电池性能更加优秀

  钠离子的溶剂化能比锂离子更低，即具有更好的界面离子扩散能力。同时钠离子的斯托克斯半径（离子在溶液中受到水分子阻碍的程度）小于锂离子，那么同等浓度钠盐的电解液具有更高的离子导电率，这就意味着钠离子电池具有更强的功率输出和接收能力。

  耐候性更具优势

  钠离子电池的工作温度范围-40℃～80℃，目前商业化产品可以做到-20℃时容量保持率80%的水平，相较于锂电池60%～70%的容量保持率具有明显优势。

  有了这个电池，即使在寒冷的北方以及高温环境都能运行良好，对于一些储能项目，也能降低空调系统的功率配额。

  安全性更具竞争力

  在大规模储能应用中，锂电池单体差异性随着充放电可能会出现过充过放导致电芯内部温度发热失控，进而引发有机电解液燃爆风险。

  但水系钠离子电池就不存在这个问题，由于电池内阻相对较高，发生短路时的热量较小，温升相对较低，再加上钠电池的电解液为水，因此在安全性上，水系钠离子电池更胜一筹。

  据项目负责人介绍，通过在项目中开展电芯穿刺等破坏性实验，验证了钠离子电池实际安全性更高。

  制造成本优势明显

  锂元素在地壳丰度仅为0.0065%，而钠元素的地壳丰度为2.64%，且资源分布广泛、提炼简单、价格低廉。

  活性材料（正极、电解质）中的锂化合物被钠化合物替代，这就可以用铁、锰等廉价金属大量替代正极中较贵的钴、镍等金属。

  由于金属钠不与金属铝形成低共熔合金，正负极集流体均可采用廉价的铝箔，替代锂电池中较贵的铜制负极集流体。

  水系钠电池和同等容量的锂电池相比，成本可以降低一半以上。

  既然相比锂电池，钠电池有那么多优势，为何会姗姗来迟呢？

  这就得说到钠电池的缺点了。

  能量密度较低：钠电池的能量密度较低，如果要制造相同容量的电池，钠电池的体积较锂电池，体积更大重量较重，这就导致它不适用于小型电子产品。

  技术不成熟：相比锂电池，钠电池的技术还不成熟，需要更多的研发和改进，以提高其性能和可靠性。

  首先电池本身的电极材料是当前水系钠离子推广发展的主要障碍。原因就在于水系电解质存在水解导致析氢和析氧副反应，因此正极材料要考虑抑制水分解的材料，而在负极材料选择同样要考虑负极枝晶效应，枝晶堆集容易刺穿隔膜从而引起电池短路，降低电池容量和循环寿命。而在储能应用中，发挥储能系统的最大能力并能维持尽量长的生命周期的技术难点，就在于每一个水系钠离子电池单体在生命周期内能否保持如一的性能。同时如何构建适应水性钠离子电池特性的系统堆叠方式和工作策略也是一大难点。

  当然，如果是建设大型储能站，钠电池能量密度较低的缺点就显得不那么扎眼了，毕竟不像是手机、相机等小型电子产品和电动汽车等，需要兼顾体积和续航，对电池的能量密度有很高的要求，大型储能站在安全性和使用寿命上的权重更重。

  为了让水系钠离子电池和电网顺利“牵手”，国家电网的研究人员着实费了一番周折：

  1.移花接玉：优化设计单体电池

  研究人员在长达数月的实验对比中，最终敲定钠盐水溶液的配比参数，锰基金属氧化物为正极材料，聚阴离子型钠基化合物为负极的包覆材料，通过借鉴锂电池的测试标准，对其电化学性能和安全性能进行测试与评估，最终发现研制的水系钠离子电池单体的电化学性能和安全性能基本达到了电网储能要求。

  2.摸石头过河：独创储能集成系统

  电池单体试验的成功只是第一步，能量管理策略的优化，是电池储能系统的重中之重。

  研究人员介绍，“目前200千瓦时级别项目中，没有参照的实验数据，完全是摸着石头过河。”

  在系统集成技术的试验中，研究人员发现一个非常有意思的现象，水系钠离子电池的放电曲线和锂电池基本吻合，依照这一特性，研究人员直接将锂电池储能系统“拿来”，并将之与水系钠离子电池做了必要的优化和适配，一个全新的储能管理系统就此出炉！

  同时，100千瓦/200千瓦时水系钠离子储能系统项目还摈弃传统直流侧电池簇并联方式，而采用更加高效的电池簇交流耦合方式。交流耦合储能系统通过逆变器将电池存储的直流电转换为交流电，从而可以直接与交流电网连接。同时，交流耦合方式可以根据每个电池簇的荷电状态和健康状态、温度状态调整充放电倍率，从而延长电池寿命，提高系统能力转换率。

  这就意味着系统也可以根据电价、电池状态、预测的负载和发电量等因素动态调整电池的充放电行为，起到削峰填谷的作用。

  以金华储能项目为例，电池单体达到了40瓦时/千克的能量密度，循环放电次数来到了5000次，且容量衰减可逆，可以保证10年间都维持在较高的充放电水平。

  作为百千瓦时级水系钠离子电池储能系统首次实地应用，金华储能项目为未来水系钠离子电池技术的开发和应用提供了实践经验，应用前景广泛：

  实现用户侧负荷优化管理。通过接入调度自动化系统与配网自动化系统，实施光储充+负荷侧管理场景应用示范，可以形成各方互利共赢的局面。

  满足临时性储能备电的需求。如在分布式数据中心、大型活动保供电现场，水系钠离子电池不但高效稳定，而且更加安全可靠。

  扩大离网微电网适用场景。由于系统耐候性强，可基于风力发电、光伏发电和智慧路灯系统交流耦合，这就意味着在高寒地区、高温环境下的离网微电网有了更强的适应能力。

  突出的应用性能、低廉的设备成本、稳定的安全性能，水系钠离子电池未来可期！