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近日，北京理工大學機電學院張建國教授團隊在國際頂級期刊《Advanced Materials》（影響因子29.400）發(fā)表題為《The Enormous Potential of Sodium/Potassium-Ion Batteries as The Mainstream Energy Storage Technology for Large-Scale Commercial Applications》的綜述（DOI: 10.1002/adma.202405989），文章綜述了鈉/鉀離子電池和鋰離子電池在成本效益上的差異。本單位通訊作者為張建國教授、于琪瑤副教授，第一作者為北京理工大學機電學院2022級博士生高艷君。

評估新興技術(shù)的一個重要標準是其經(jīng)濟可行性，以能量為基準的成本分析被視為確定這些技術(shù)可持續(xù)性的有效工具。鋰資源的稀缺和大幅增加的需求將顯著提高鋰離子電池（LIBs）的價格，外加其低安全性，最終限制了LIBs的商業(yè)可行性，使其難以負擔大規(guī)模的工業(yè)應用；另外，目前LIBs的能量密度正接近其飽和極限。相比之下，鈉/鉀金屬成本低，其電池體系可使用廉價的集流體。鈉離子電池（SIBs）表現(xiàn)了更好的熱穩(wěn)定性和低溫性能、更寬的溫度適應范圍。鉀離子電池（PIBs）在熱失控時產(chǎn)生的熱量要比LIBs少得多，具有更高的安全性。SIBs和PIBs的低成本優(yōu)勢為其在大規(guī)模儲能應用中開辟了道路。本綜述引入了成本效益（$ kWh^-1·cycle^-1）這一重要參數(shù)，通過總結(jié)近年來的研究進展，基于正極材料的分類，評估并對比了各種鈉離子、鉀離子和鋰離子全電池體系的成本效益，從該角度出發(fā)，給出了SIBs/PIBs在某些特定場景中取代商業(yè)化LIBs所需達到的能量密度；并進一步對比分析了SIBs和PIBs的電化學行為，其差異表明SIBs是目前大規(guī)模儲能應用的首要選擇；令人鼓舞的是，更高的電池電壓、可實現(xiàn)的K⁺嵌入石墨負極的過程，特別是在高電流密度下高效的充放電過程，良好的循環(huán)穩(wěn)定性，賦予PIBs極大的可能性，在未來應用于大規(guī)模儲能中。

要點一：鈉離子/鉀離子全電池和鋰離子全電池的成本抗衡

對各種電池體系的成本分析有助于確定其在大規(guī)模固定式儲能應用中的實用價值。本綜述給出了在不同電極價格等級和電池壽命水平下對SIBs/PIBs能量密度的具體要求，用于替代LIBs在大規(guī)模儲能領域中應用，其中價格等級是基于近幾年的研究現(xiàn)狀，計算和總結(jié)不同全電池的投入成本后確定的。在電化學性能與成本（$ kWh^-1 cycle^-1）相關聯(lián)的曲線圖中，根據(jù)SIBs/PIBs的實際成本，在給定的LIB標準下，確定了需要滿足的能量密度，確保SIBs/PIBs體系在大規(guī)模儲能應用中的經(jīng)濟優(yōu)勢。

要點二：鈉離子全電池和鉀離子全電池的成本對比

從技術(shù)經(jīng)濟的角度，本綜述深入了解了SIBs和PIBs的商業(yè)可行性，它們可被視作LIBs的潛在替代品應用于大規(guī)模固定式儲能領域。根據(jù)SIBs和PIBs每千瓦時（kWh）每圈（cycle）的成本消耗對比，SIBs仍然處于領先地位，這主要是由于其能量密度明顯高于PIBs，而PIBs的研究仍處于實驗室階段。到目前為止，經(jīng)設計的無負極鈉離子電池的能量密度可以超過200 Wh kg^-1，甚至高于商用磷酸鐵鋰||石墨全電池；同時考慮到鈉離子電池的原材料價格低，相比鉀離子電池更具有成本優(yōu)勢（$ kWh^-1 cycle^-1），使其成為大規(guī)模儲能應用的首選。

要點三：鉀離子電池相比鈉離子電池的優(yōu)勢

雖然PIBs仍處于實驗室階段。但令人鼓舞的是，更負的電化學電壓K⁺/K（-2.93 V vs. SHE）和可實現(xiàn)的K⁺嵌入石墨負極的過程賦予了PIBs更高的全電池電壓和高能量密度的可能性；更小的斯托克斯（Stokes）半徑和更小的溶解能保證了快速的K⁺運輸能力；此外，由于K⁺與溶劑的弱相互作用和易于自愈的枝晶表面，抑制了[陽離子-溶劑]⁺的共插層效應，促進了宿主結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，從而實現(xiàn)了優(yōu)異的循環(huán)性能。各種高效的改性策略有利于加快電化學反應動力學，穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，提高容量，其能量密度不斷接近SIBs，且循環(huán)性能明顯增強，這些性能的改善被認為是提高其實用性的主要突破點。更高效的充放電過程（特別是在高電流密度下），以及在多數(shù)情況下更高的電化學電壓，使PIBs具有巨大的潛力成為大規(guī)模商業(yè)應用中的主流儲能技術(shù)。

文章鏈接：The Enormous Potential of Sodium/Potassium-Ion Batteries as The Mainstream Energy Storage Technology for Large-Scale Commercial Applications

https://doi.org/10.1002/adma.202405989

附作者簡介：

張建國，北京理工大學機電學院教授、博士生導師。主要研究方向為能源材料與含能器件。主持完成國家重大專項課題、國家自然科學基金等項目20余項，發(fā)表論文300余篇，出版專著1部、譯著3部，授權(quán)發(fā)明專利65項，獲省部級科技二等獎、三等獎各2項。獲北京市教學名師獎，國家教學成果二等獎，北京市教學成果特等獎、一等獎、二等獎各1項。中國兵工學會火工煙火專委會副主任委員、火炸藥專委會委員，中國化學會熱分析專委會、高壓化學專委會委員。擔任Central European Journal of Energetic Materials、Defence Technology、含能材料、火炸藥學報等期刊編委。

于琪瑤，北京理工大學機電學院副教授，博士生導師。近年來圍繞電源電極材料的可控制備、電子/離子界面和活性材料體相傳質(zhì)規(guī)律、離子嵌入脫嵌過程電化學反應機理、柔性電極制造的材料、結(jié)構(gòu)、能量一體化泛在集能科學技術(shù)等領域進行了深入研究，取得了若干原創(chuàng)性成果，迄今已在國際著名學術(shù)期刊發(fā)表SCI論文55篇，6篇ESI高被引論文，其中以第一/通訊作者發(fā)表學術(shù)論文33篇（一區(qū)論文27篇，其中21篇影響因子＞10）。