钠离子电池或成我国能源超车新赛道

时间:2021-02-24

  新一轮能源革命的核心为可再生能源发电与规模储能,在众多电化学储能技术中,由于钠离子电池具有资源丰富、低成本、高安全、转换效率高、灵活方便易于集成、响应速度快、免维护等优点,因此是规模储能的理想选择之一。

  ——胡勇胜 中国科学院物理研究所研究员、中科海钠创始人兼董事长

  日前,中国科学院物理研究所孵化的高新技术企业中科海钠科技有限责任公司(以下简称中科海钠)、华阳新材料科技集团有限公司与山西转型综合改革示范区管理委员会签署合约,将在太原建设年产2000吨钠离子电池正负极材料生产线。

  2月20日,中国科学院物理研究所研究员、中科海钠创始人兼董事长胡勇胜在接受科技日报记者采访时表示,我国钠离子电池不论是在材料体系和电池综合性能等技术研发方面,还是在产业化推进速度、示范应用、专利布局以及标准制定等方面均处于国际前列,已具备了先发优势。

  新能源新星正在产业化路上加速

  煤炭、石油、天然气等化石能源的开发令人类社会迅猛发展,而现代非化石能源的进步,也正引发新一轮能源革命。这一次,主角会是谁?

  锂离子电池的呼声很高。然而,当锂离子电池在我国越来越多的领域中大规模使用时,一个无法回避的问题也让人越来越担忧——我国的锂资源高度依赖进口。有必要开发不依赖于稀有资源、成本较低的储能电池技术。

  与锂离子电池技术最接近的钠离子电池开始崭露头角。近年来,拥有自主知识产权的相关成果不断涌现,以钠离子电池为“心脏”的智能电动自行车、低速电动车、家庭储能柜、储能电站、园区/景区观光电动车等相继问世,很多成果在国际上均为首次发布。

  在科技部高技术研究发展中心近期组织的“2020年度中国科学十大进展”评选中,钠离子电池研究入选30项候选成果。

  作为新能源的一颗新星,钠离子电池正在产业化的道路上加速向前,或成为我国引领新一轮能源革命的机会。

  “钠”士招贤弥补“锂”所不逮

  全球范围来看,锂资源分布极不均衡,约70%分布在南美洲。现有数据显示,目前我国80%的锂资源依赖进口。

  “锂离子电池虽然已成为占据全球电化学储能规模市场80%份额的‘绝对一哥’,但其资源的稀缺性和较高的成本,导致其产业大规模发展面临天花板。”胡勇胜在接受科技日报记者采访时表示。

  如何破题?找出平价替代品是当务之急。

  因此,与锂离子电池具有相同工作原理和相似电池构件的钠离子电池迎来了大好的发展机遇。

  与锂离子电池类似,钠离子电池依靠钠离子在正负极之间可逆脱出和嵌入实现电能的存储与输出。

  钠资源在地壳中的储量极其丰富,地壳丰度是锂的1000倍以上。钠离子电池在成本方面已经展现出显著的优势,如果储存相同的能量,成本会比锂离子电池少30%左右。由于电池结构相似,现有的大部分锂离子电池生产设备可直接投入到钠离子电池生产中,在成本控制方面更进一步。

  在产业化进程中,价廉很重要,但物美更重要。胡勇胜告诉科技日报记者,钠离子电池的综合性能显示出多重优势。

  随着研究的不断深入,研究者发现钠离子电池具有较好的功率特性、宽温度范围适应性、安全性能和无过放电问题等优势。另外,钠离子电池的正负极均可采用铝箔集流体,从而可进一步提升钠离子电池的能量密度,使钠离子电池向着低成本、长寿命、高比能和高安全的方向迈进。

  胡勇胜举例,现在常用的手机锂离子电池大约一个小时才能充满电量,而钠离子电池用十几分钟甚至更短时间就可以充满。冬日锂离子电池因低温“罢工”现象频见报道,而钠离子电池在低至-30℃、高至80℃的环境中,其放电特性依然很好,足见其环境友好之特性,十分“皮实”,经得起折腾。“我们做过试验,用钢针刺入钠离子电池,人为使其短路,发现没有起火或爆炸。”

  便宜、“皮实”、安全,未来钠离子电池很可能成为锂离子电池的重要补充技术。

  打破技术瓶颈拓宽应用范围

  正极、负极、电解液是钠离子电池的三大要素。其中,大部分正极材料面临稳定性差、循环寿命短、成本较高等瓶颈问题。

  为解决这些问题,胡勇胜科研团队绕过了锂离子电池常用正极材料中的高价格元素镍、钴等,使用铜、铁和锰等比较便宜的常见元素,研究出一种低成本、高稳定性、长寿命的钠离子电池层状氧化物正极材料体系。

  此前,该团队与国际学者合作,首次在《科学》杂志上发表了有关钠离子电池正极材料的研究成果。

  依托物理所钠离子电池技术团队,中科海钠于2017年成立,成为当时国内首家专注于钠离子电池研发与生产的高新技术企业。目前,中科海钠已获得2次融资共计5800万用于中试技术开发,已建成钠离子电池正负极材料百吨级中试线及百万安时电芯线,研制出软包、铝壳及圆柱电芯等诸多产品,能量密度在100—150瓦时每千克之间,是铅酸电池的3倍以上,循环寿命超过4500次。前不久,北京市科委科技协作中心组织专家组对其承担的课题进行验收,专家组给出的评价是:相关技术指标达到国际领先水平。

  2017年年底,该团队研制出48V/10Ah钠离子电池组应用于电动自行车;2018年,该团队研制出72V/80Ah钠离子电池组,推出全球首辆钠离子电池电动汽车。

  据悉,该团队已经在正极、负极、电解质、添加剂、黏接剂等关键材料方面获得了中国发明授权专利20余项(部分专利获得美国、日本和欧盟授权),在《科学》《自然》子刊等学术杂志发表论文100余篇,被引用超过1万次。

  这些科研成果将会同样扮演引擎角色,陆续在中科海钠等一系列孵化企业中进行转化,为钠离子电池的商业化发展提供不竭动力。

  在规模储能上被寄予厚望

  气候变化是人类面临的全球性问题,我国由此提出了2030碳达峰和2060碳中和目标,这也意味着中国经济社会将迎来全面低碳变革。

  2017年,中国工程院院士陈立泉就提出了“电动中国”的构想。这与我国构建全球能源互联网,以清洁和绿色方式满足全球电力需求的倡导不谋而合。

  那么,问题来了。

  太阳能、风能是产生电力的主要可再生新能源,但它们具有随机性、间歇性、波动性等特点。太阳能光板在晴天、白天时能发电,但阴天、夜晚时就“歇菜”了。风能发电也跟风力和天气息息相关。然而,现如今我们却一刻都不能离开电,断然无法忍受只有天气“给力”才有电的日子。

  这就迫切需要大规模储能装置,主要是储能电站,将富余的电能储存起来,在发电不足的时间用,保证电力平稳供给。

  目前储能示范电站中,锂离子电池是“一哥”,但由于前文所提及的各种限制,锂离子电池无法同时支撑电动汽车和规模储能两个巨大市场,因此陈立泉院士以及胡勇胜研究员等人,都在钠离子电池身上寄予厚望。

  2019年,中科海钠推出全球首个100千瓦时钠离子电池储能电站,首次实现了钠离子电池在大规模储能上的示范应用。

  “碳达峰、碳中和是我国的庄严承诺,是我国引领第三次能源革命的机会。”胡勇胜指出,新一轮能源革命的核心为可再生能源发电与规模储能,目前前者已接近成熟,而后者还在发展之中,在众多电化学储能技术中,由于钠离子电池具有资源丰富、低成本、高安全、转换效率高、灵活方便易于集成、响应速度快、免维护等优点,因此是规模储能的理想选择之一。

  由于巨大的储能市场及产业需求推动,结合我国完善的锂离子电池产业链,钠离子电池已然具备了在我国率先实现产业化和商业化的条件。

  “相信在我国各级政府的顶层规划及相关政策大力支持之下,在产、学、研协同创新之下及社会资本的推动之下,钠离子电池必将为实现碳达峰、碳中和目标而发挥重要作用。”胡勇胜说。


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