鈉離子電池或成我國能源超車新賽道

新一輪能源革命的核心為可再生能源發(fā)電與規(guī)模儲能，在眾多電化學(xué)儲能技術(shù)中，由于鈉離子電池具有資源豐富、低成本、高安全、轉(zhuǎn)換效率高、靈活方便易于集成、響應(yīng)速度快、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此是規(guī)模儲能的理想選擇之一。

——胡勇勝 中國科學(xué)院物理研究所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長

日前，中國科學(xué)院物理研究所孵化的高新技術(shù)企業(yè)中科海鈉科技有限責(zé)任公司(以下簡稱中科海鈉)、華陽新材料科技集團(tuán)有限公司與山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)管理委員會簽署合約，將在太原建設(shè)年產(chǎn)2000噸鈉離子電池正負(fù)極材料生產(chǎn)線。

2月20日，中國科學(xué)院物理研究所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長胡勇勝在接受科技日報記者采訪時表示，我國鈉離子電池不論是在材料體系和電池綜合性能等技術(shù)研發(fā)方面，還是在產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度、示范應(yīng)用、專利布局以及標(biāo)準(zhǔn)制定等方面均處于國際前列，已具備了先發(fā)優(yōu)勢。

新能源新星正在產(chǎn)業(yè)化路上加速

煤炭、石油、天然氣等化石能源的開發(fā)令人類社會迅猛發(fā)展，而現(xiàn)代非化石能源的進(jìn)步，也正引發(fā)新一輪能源革命。這一次，主角會是誰?

鋰離子電池的呼聲很高。然而，當(dāng)鋰離子電池在我國越來越多的領(lǐng)域中大規(guī)模使用時，一個無法回避的問題也讓人越來越擔(dān)憂——我國的鋰資源高度依賴進(jìn)口。有必要開發(fā)不依賴于稀有資源、成本較低的儲能電池技術(shù)。

與鋰離子電池技術(shù)最接近的鈉離子電池開始嶄露頭角。近年來，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的相關(guān)成果不斷涌現(xiàn)，以鈉離子電池為“心臟”的智能電動自行車、低速電動車、家庭儲能柜、儲能電站、園區(qū)/景區(qū)觀光電動車等相繼問世，很多成果在國際上均為首次發(fā)布。

在科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心近期組織的“2020年度中國科學(xué)十大進(jìn)展”評選中，鈉離子電池研究入選30項(xiàng)候選成果。

作為新能源的一顆新星，鈉離子電池正在產(chǎn)業(yè)化的道路上加速向前，或成為我國引領(lǐng)新一輪能源革命的機(jī)會。

“鈉”士招賢彌補(bǔ)“鋰”所不逮

全球范圍來看，鋰資源分布極不均衡，約70%分布在南美洲。現(xiàn)有數(shù)據(jù)顯示，目前我國80%的鋰資源依賴進(jìn)口。

“鋰離子電池雖然已成為占據(jù)全球電化學(xué)儲能規(guī)模市場80%份額的‘絕對一哥’，但其資源的稀缺性和較高的成本，導(dǎo)致其產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展面臨天花板。”胡勇勝在接受科技日報記者采訪時表示。

如何破題?找出平價替代品是當(dāng)務(wù)之急。

因此，與鋰離子電池具有相同工作原理和相似電池構(gòu)件的鈉離子電池迎來了大好的發(fā)展機(jī)遇。

與鋰離子電池類似，鈉離子電池依靠鈉離子在正負(fù)極之間可逆脫出和嵌入實(shí)現(xiàn)電能的存儲與輸出。

鈉資源在地殼中的儲量極其豐富，地殼豐度是鋰的1000倍以上。鈉離子電池在成本方面已經(jīng)展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，如果儲存相同的能量，成本會比鋰離子電池少30%左右。由于電池結(jié)構(gòu)相似，現(xiàn)有的大部分鋰離子電池生產(chǎn)設(shè)備可直接投入到鈉離子電池生產(chǎn)中，在成本控制方面更進(jìn)一步。

在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，價廉很重要，但物美更重要。胡勇勝告訴科技日報記者，鈉離子電池的綜合性能顯示出多重優(yōu)勢。

隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)鈉離子電池具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應(yīng)性、安全性能和無過放電問題等優(yōu)勢。另外，鈉離子電池的正負(fù)極均可采用鋁箔集流體，從而可進(jìn)一步提升鈉離子電池的能量密度，使鈉離子電池向著低成本、長壽命、高比能和高安全的方向邁進(jìn)。

胡勇勝舉例，現(xiàn)在常用的手機(jī)鋰離子電池大約一個小時才能充滿電量，而鈉離子電池用十幾分鐘甚至更短時間就可以充滿。冬日鋰離子電池因低溫“罷工”現(xiàn)象頻見報道，而鈉離子電池在低至-30℃、高至80℃的環(huán)境中，其放電特性依然很好，足見其環(huán)境友好之特性，十分“皮實(shí)”，經(jīng)得起折騰。“我們做過試驗(yàn)，用鋼針刺入鈉離子電池，人為使其短路，發(fā)現(xiàn)沒有起火或爆炸。”

便宜、“皮實(shí)”、安全，未來鈉離子電池很可能成為鋰離子電池的重要補(bǔ)充技術(shù)。

打破技術(shù)瓶頸拓寬應(yīng)用范圍

正極、負(fù)極、電解液是鈉離子電池的三大要素。其中，大部分正極材料面臨穩(wěn)定性差、循環(huán)壽命短、成本較高等瓶頸問題。

為解決這些問題，胡勇勝科研團(tuán)隊(duì)繞過了鋰離子電池常用正極材料中的高價格元素鎳、鈷等，使用銅、鐵和錳等比較便宜的常見元素，研究出一種低成本、高穩(wěn)定性、長壽命的鈉離子電池層狀氧化物正極材料體系。

此前，該團(tuán)隊(duì)與國際學(xué)者合作，首次在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了有關(guān)鈉離子電池正極材料的研究成果。

依托物理所鈉離子電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)，中科海鈉于2017年成立，成為當(dāng)時國內(nèi)首家專注于鈉離子電池研發(fā)與生產(chǎn)的高新技術(shù)企業(yè)。目前，中科海鈉已獲得2次融資共計(jì)5800萬用于中試技術(shù)開發(fā)，已建成鈉離子電池正負(fù)極材料百噸級中試線及百萬安時電芯線，研制出軟包、鋁殼及圓柱電芯等諸多產(chǎn)品，能量密度在100—150瓦時每千克之間，是鉛酸電池的3倍以上，循環(huán)壽命超過4500次。前不久，北京市科委科技協(xié)作中心組織專家組對其承擔(dān)的課題進(jìn)行驗(yàn)收，專家組給出的評價是：相關(guān)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

2017年年底，該團(tuán)隊(duì)研制出48V/10Ah鈉離子電池組應(yīng)用于電動自行車;2018年，該團(tuán)隊(duì)研制出72V/80Ah鈉離子電池組，推出全球首輛鈉離子電池電動汽車。

據(jù)悉，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在正極、負(fù)極、電解質(zhì)、添加劑、黏接劑等關(guān)鍵材料方面獲得了中國發(fā)明授權(quán)專利20余項(xiàng)(部分專利獲得美國、日本和歐盟授權(quán))，在《科學(xué)》《自然》子刊等學(xué)術(shù)雜志發(fā)表論文100余篇，被引用超過1萬次。

這些科研成果將會同樣扮演引擎角色，陸續(xù)在中科海鈉等一系列孵化企業(yè)中進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為鈉離子電池的商業(yè)化發(fā)展提供不竭動力。

在規(guī)模儲能上被寄予厚望

氣候變化是人類面臨的全球性問題，我國由此提出了2030碳達(dá)峰和2060碳中和目標(biāo)，這也意味著中國經(jīng)濟(jì)社會將迎來全面低碳變革。

2017年，中國工程院院士陳立泉就提出了“電動中國”的構(gòu)想。這與我國構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，以清潔和綠色方式滿足全球電力需求的倡導(dǎo)不謀而合。

那么，問題來了。

太陽能、風(fēng)能是產(chǎn)生電力的主要可再生新能源，但它們具有隨機(jī)性、間歇性、波動性等特點(diǎn)。太陽能光板在晴天、白天時能發(fā)電，但陰天、夜晚時就“歇菜”了。風(fēng)能發(fā)電也跟風(fēng)力和天氣息息相關(guān)。然而，現(xiàn)如今我們卻一刻都不能離開電，斷然無法忍受只有天氣“給力”才有電的日子。

這就迫切需要大規(guī)模儲能裝置，主要是儲能電站，將富余的電能儲存起來，在發(fā)電不足的時間用，保證電力平穩(wěn)供給。

目前儲能示范電站中，鋰離子電池是“一哥”，但由于前文所提及的各種限制，鋰離子電池?zé)o法同時支撐電動汽車和規(guī)模儲能兩個巨大市場，因此陳立泉院士以及胡勇勝研究員等人，都在鈉離子電池身上寄予厚望。

2019年，中科海鈉推出全球首個100千瓦時鈉離子電池儲能電站，首次實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池在大規(guī)模儲能上的示范應(yīng)用。

“碳達(dá)峰、碳中和是我國的莊嚴(yán)承諾，是我國引領(lǐng)第三次能源革命的機(jī)會。”胡勇勝指出，新一輪能源革命的核心為可再生能源發(fā)電與規(guī)模儲能，目前前者已接近成熟，而后者還在發(fā)展之中，在眾多電化學(xué)儲能技術(shù)中，由于鈉離子電池具有資源豐富、低成本、高安全、轉(zhuǎn)換效率高、靈活方便易于集成、響應(yīng)速度快、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，因此是規(guī)模儲能的理想選擇之一。

由于巨大的儲能市場及產(chǎn)業(yè)需求推動，結(jié)合我國完善的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈，鈉離子電池已然具備了在我國率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化的條件。

“相信在我國各級政府的頂層規(guī)劃及相關(guān)政策大力支持之下，在產(chǎn)、學(xué)、研協(xié)同創(chuàng)新之下及社會資本的推動之下，鈉離子電池必將為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)而發(fā)揮重要作用。”胡勇勝說。(實(shí)習(xí)記者 于紫月)