性能不輸“電池一哥”還更便宜、安全 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，在眾多電化學儲能技術中，由于鈉離子電池具有資源豐富、低成本、高安全、轉換效率高、靈活方便易于集成、響應速度快、免維護等優(yōu)點，因此是規(guī)模儲能的理想選擇之一。
——胡勇勝 中國科學院物理研究所研究員、中科海鈉創(chuàng)始人兼董事長
日前，中國科學院物理研究所孵化的高新技術企業(yè)中科海鈉科技有限責任公司(以下簡稱中科海鈉)、華陽新材料科技集團有限公司與山西轉型綜合改革示范區(qū)管理委員會簽署合約，將在太原建設年產2000噸鈉離子電池正負極材料生產線。
2月20日，中國科學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研發(fā)方面，還是在產業(yè)化推進速度、示范應用、專利布局以及標準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，而現代非化石能源的進步，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，當鋰離子電池在我國越來越多的領域中大規(guī)模使用時，一個無法回避的問題也讓人越來越擔憂——我國的鋰資源高度依賴進口。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。
與鋰離子電池技術最接近的鈉離子電池開始嶄露頭角。近年來，擁有自主知識產權的相關成果不斷涌現，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。
在科技部高技術研究發(fā)展中心近期組織的“2020年度中國科學十大進展”評選中，鈉離子電池研究入選30項候選成果。
作為新能源的一顆新星，鈉離子電池正在產業(yè)化的道路上加速向前，或成為我國引領新一輪能源革命的機會。
“鈉”士招賢彌補“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?，F有數據顯示，目前我國80%的鋰資源依賴進口。
“鋰離子電池雖然已成為占據全球電化學儲能規(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，導致其產業(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務之急。
因此，與鋰離子電池具有相同工作原理和相似電池構件的鈉離子電池迎來了大好的發(fā)展機遇。
與鋰離子電池類似，鈉離子電池依靠鈉離子在正負極之間可逆脫出和嵌入實現電能的存儲與輸出。
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展現出顯著的優(yōu)勢，如果儲存相同的能量，成本會比鋰離子電池少30%左右。由于電池結構相似，現有的大部分鋰離子電池生產設備可直接投入到鈉離子電池生產中，在成本控制方面更進一步。
在產業(yè)化進程中，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)現鈉離子電池具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應性、安全性能和無過放電問題等優(yōu)勢。另外，鈉離子電池的正負極均可采用鋁箔集流體，從而可進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。
胡勇勝舉例，現在常用的手機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”，經得起折騰。“我們做過試驗，用鋼針刺入鈉離子電池，人為使其短路，發(fā)現沒有起火或爆炸。”
便宜、“皮實”、安全，未來鈉離子電池很可能成為鋰離子電池的重要補充技術。
打破技術瓶頸拓寬應用范圍
正極、負極、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，胡勇勝科研團隊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，該團隊與國際學者合作，首次在《科學》雜志上發(fā)表了有關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團隊，中科海鈉于2017年成立，成為當時國內首家專注于鈉離子電池研發(fā)與生產的高新技術企業(yè)。目前，中科海鈉已獲得2次融資共計5800萬用于中試技術開發(fā)，已建成鈉離子電池正負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的課題進行驗收，專家組給出的評價是：相關技術指標達到國際領先水平。
2017年年底，該團隊研制出48V/10Ah鈉離子電池組應用于電動自行車;2018年，該團隊研制出72V/80Ah鈉離子電池組，推出全球首輛鈉離子電池電動汽車。
據悉，該團隊已經在正極、負極、電解質、添加劑、黏接劑等關鍵材料方面獲得了中國發(fā)明授權專利20余項(部分專利獲得美國、日本和歐盟授權)，在《科學》《自然》子刊等學術雜志發(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)中進行轉化，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碳達峰和2060碳中和目標，這也意味著中國經濟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”的構想。這與我國構建全球能源互聯(lián)網，以清潔和綠色方式滿足全球電力需求的倡導不謀而合。
那么，問題來了。
太陽能、風能是產生電力的主要可再生新能源，但它們具有隨機性、間歇性、波動性等特點。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。風能發(fā)電也跟風力和天氣息息相關。然而，現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，鋰離子電池無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，首次實現了鈉離子電池在大規(guī)模儲能上的示范應用。
“碳達峰、碳中和是我國的莊嚴承諾，是我國引領第三次能源革命的機會。”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，在眾多電化學儲能技術中，由于鈉離子電池具有資源豐富、低成本、高安全、轉換效率高、靈活方便易于集成、響應速度快、免維護等優(yōu)點，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業(yè)需求推動，結合我國完善的鋰離子電池產業(yè)鏈，鈉離子電池已然具備了在我國率先實現產業(yè)化和商業(yè)化的條件。
“相信在我國各級政府的頂層規(guī)劃及相關政策大力支持之下，在產、學、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現碳達峰、碳中和目標而發(fā)揮重要作用。”胡勇勝說。
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