鉅大LARGE | 點擊量：875次 | 2021年11月10日
鈉離子電池有備而來
在元素周期表中，氫、鋰、鈉、鉀元素排在第一列。研究電池的科學(xué)家們把目光也都聚焦在了這里，先后研發(fā)出氫燃料動力鋰電池、鋰離子電池、鈉離子電池，少數(shù)科學(xué)家也在研究鉀離子電池。相對而言，氫燃料動力鋰電池是一種發(fā)電裝置，堿金屬電池（鋰/鈉金屬電池）才是一次可充放的二次電池。不過，在電池研發(fā)過程中，鋰離子電池漸成主流，鈉離子電池卻鮮有人知。
最近，鈉離子電池又重新回歸人們的視野。前不久，我國科學(xué)院物理研究所研究員胡勇勝帶領(lǐng)的團(tuán)隊在鈉離子電池研究上取得突破性進(jìn)展，目前科研成果正在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)實際應(yīng)用，已在江蘇溧陽進(jìn)行了產(chǎn)品中試。
與鋰離子電池同時起步的鈉離子電池為何歸于落寞？重新出發(fā)的鈉離子電池有什么優(yōu)勢，今后又將會如何發(fā)展？對此，《我國汽車報》記者日前獨(dú)家專訪了胡勇勝。
■鈉離子電池經(jīng)濟(jì)價值高
據(jù)了解，氫燃料動力鋰電池、鋰離子電池、鈉離子電池幾乎是同時起步。在上世紀(jì)70年代的石油危機(jī)中，3種電池技術(shù)幾乎同時受到科學(xué)家們的高度重視，但隨著石油危機(jī)的緩解，3種電池技術(shù)研究又都被放緩。直到1990年索尼率先在鋰離子電池技術(shù)上取得突破，鋰離子電池重新風(fēng)行天下。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
胡勇勝說：“就材料特性而言，鋰是最好的電池材料，正因為如此，大多數(shù)研究人員把目光投向了鋰元素。”
相對而言，鈉元素有明顯的缺陷。金屬鋰的原子量為7，鈉的原子量為23，鈉原子比鋰原子重3倍多，這注定了鈉離子電池的重量能量密度不及鋰離子電池。此外，鈉離子的半徑也比鋰離子大很多，在體積能量密度上也不及鋰離子電池。
材料特性似乎判了鈉離子電池的“”。然而，商業(yè)化不能僅考慮能量密度，還要考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素。胡勇勝告訴記者，鈉元素來源廣泛，有著很高的經(jīng)濟(jì)價值，鈉離子電池的安全性也優(yōu)于鋰離子電池，這是鈉離子電池依然被看好的重要原因。
此外，鋰元素不僅應(yīng)用在新能源電池上，也應(yīng)用在玻璃、醫(yī)藥、陶瓷、核工業(yè)等領(lǐng)域，這就導(dǎo)致對鋰資源的需求量巨大。據(jù)了解，僅就消費(fèi)類電池、動力鋰離子電池和儲能來看，鋰資源也難以同時支撐。美國地質(zhì)局的數(shù)據(jù)顯示，2015年全球已探明鋰資源量為3950萬噸（我國為540萬噸），可供開采的鋰資源為1350萬噸，假如以特斯拉80kWh電池組用量計算，可開采的鋰資源僅能滿足約15億輛汽車的需求。“目前，全球汽車保有量約為12億輛。假如再加上風(fēng)電、光伏儲能等的需求量，很顯然，鋰資源將會成為新能源汽車發(fā)展的制約因素。”胡勇勝說。
胡勇勝告訴記者，鈉資源非常豐富，海水中有取之不盡的鈉元素，我們?nèi)粘５氖雏}中也含有大量的鈉元素，鈉離子電池的經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于鋰離子電池。
■技術(shù)壁壘被打破
鈉離子電池一直沒受到重視關(guān)鍵還在于技術(shù)的壁壘。胡勇勝說，鈉離子電池的原理與鋰離子電池是相同的，在鈉離子電池研發(fā)中，國外有些研究人員沿用了鋰離子電池三元材料的思路，正極材料使用鎳、鈷、錳。有關(guān)這一做法，胡勇勝并不看好。“假如僅把目前鋰離子電池體系的鋰元素替換成鈉元素，鈉離子電池的成本只能比鋰離子電池成本降低5％～10％，而鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低，這就沒有商業(yè)化前景了。”胡勇勝說。
基于以上分析，胡勇勝的團(tuán)隊另辟蹊徑，發(fā)現(xiàn)過渡金屬銅（Cu）元素在鈉離子電池層狀材料中可以實現(xiàn)Cu3＋/Cu2＋氧化還原電對的可逆轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)可以利用成本更加低廉的過渡金屬鐵（Fe）元素替換部分Cu和錳（Mn）元素，得到了電化學(xué)性能優(yōu)異的材料。胡勇勝說：“該材料的最大優(yōu)點是在電化學(xué)脫嵌鈉過程中結(jié)構(gòu)保持不變，體積變化不到5％。在充放電過程中，較小的體積變化有利于實現(xiàn)長循環(huán)性能。”
正極材料的問題解決了，負(fù)極材料的問題依然存在。胡勇勝告訴記者，目前，石墨作為負(fù)極材料，以優(yōu)良的導(dǎo)電性能廣泛應(yīng)用于三元材料電池之中。他介紹，石墨是規(guī)范的有序結(jié)構(gòu)，儲存鋰離子能力較強(qiáng)，但儲存鈉離子能力較弱，這限制了鈉離子電池發(fā)展。此外，胡勇勝說：“高度無序的硬碳材料有高比容量和長循環(huán)壽命等優(yōu)良的綜合性能，被大家認(rèn)為是最有應(yīng)用前景的一種負(fù)極材料。然而，硬碳材料的價格非常貴，大約每噸20萬元，這樣的價格將阻礙鈉離子電池的應(yīng)用。”
胡勇勝帶領(lǐng)的團(tuán)隊經(jīng)過研究，在鈉離子電池碳基負(fù)極材料上取得了突破，用成本更加低廉的無煙煤作為前驅(qū)體，通過簡單的粉碎和一步碳化得到了一種具有優(yōu)異儲鈉性能的碳負(fù)極材料。胡勇勝說：“裂解無煙煤得到的是一種軟碳材料，但不同于來自于瀝青的軟碳材料，在1600℃以下仍具有較高的無序度，產(chǎn)碳率高達(dá)90％，儲鈉容量達(dá)到220mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。最重要的是在所有的碳基負(fù)極材料中具有最高的性價比。”
■性能指標(biāo)突出
商業(yè)化的電池要兼顧性能與成本，鈉離子電池的經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)出色。據(jù)了解，鈉離子電池正極材料來源于銅、鐵、錳，這些都不是貴金屬，價格遠(yuǎn)低于鎳、鈷等材料。裂解無煙煤得到的軟碳材料解決了負(fù)極難題，無煙煤的價格不超過2000元/噸，也是便宜的材料。綜合起來，鈉離子電池的材料成本比鋰離子電池約低40％。
胡勇勝介紹，他們團(tuán)隊研發(fā)的鈉離子電池經(jīng)過各項測試具有商業(yè)化應(yīng)用前景。據(jù)了解，鈉離子電池的能量密度已達(dá)到120Wh/kg，工作溫度為-30℃～55℃，循環(huán)1300次后容量仍然超過80％。
除此之外，胡勇勝說，動力鋰離子電池除了性能與成本之外，安全性是最關(guān)鍵的因素。鈉離子電池經(jīng)過安全性檢測，也達(dá)到了令人滿意的程度。“三元材料鋰離子電池在針刺檢測時多會起火燃燒，而鈉離子電池在針刺時不冒煙、不起火、不爆炸。經(jīng)受短路、過充、過放、擠壓等檢測后，鈉離子電池也不起火燃燒。”他說。
為了進(jìn)一步說明鈉離子電池的安全性，胡勇勝向《我國汽車報》記者展示了檢測時的錄像。《我國汽車報》記者注意到，檢測人員把滿電態(tài)鈉離子電池包剪開來，放入水中，沒有出現(xiàn)劇烈的化學(xué)反應(yīng)，水中緩慢地冒出氣泡，這說明鈉離子電池即便出現(xiàn)泄漏，也不會發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，駕乘人員有足夠的時間逃脫。
除了安全性比鋰離子電池高之外，鈉離子電池還有一個特點：既有使用價值，也能保證使用中的安全性。胡勇勝說：“鋰離子電池不能過充過放，鈉離子電池也不能過充，但可以過放，即把電池中的電量全部放完。”
針對過放的好處，胡勇勝介紹，鋰離子電池使用一段時間之后，各個電芯充放電情況不同，導(dǎo)致出現(xiàn)各電芯容量不同的狀態(tài)，要通過BMS進(jìn)行調(diào)控才能確保一致性。但假如鈉離子電池中的電芯出現(xiàn)容量差，可以把整個電池包的電量放完，讓所有的電芯歸零后處于同一水平，BMS一致性的調(diào)控也就變得相對簡單。此外，胡勇勝說：“鈉離子電池可以過放的特性還有利于安全運(yùn)輸，不帶電運(yùn)輸極大地降低發(fā)生事故的概率。”
■給低速電動汽車帶來新選擇
據(jù)了解，胡勇勝團(tuán)隊研發(fā)出的新一代鈉離子電池將首先應(yīng)用在低速電動汽車上。“低成本鈉離子電池有望率先應(yīng)用于低速電動汽車上，實現(xiàn)低速電動汽車的無鉛化。”胡勇勝說。
目前，我國低速電動汽車已成為一個龐大的產(chǎn)業(yè)，山東、河北、河南是低速電動汽車產(chǎn)銷大省，僅山東省2017年就生產(chǎn)75.6萬輛，同比上升21.4％。然而，低速電動汽車因使用鉛酸電池，在使用過程中造成大量污染。
為了治理低速電動汽車，有關(guān)部門出臺了“三個一”政策（升級一批、規(guī)范一批、淘汰一批）。然而，在升級的過程中，假如低速電動汽車使用鋰離子電池，成本將迅速提高從而失去競爭力，也因此，大多數(shù)低速電動汽車公司都不愿意放棄鉛酸電池。
鈉離子電池的誕生有望打破這一尷尬局面。“鈉離子電池的材料成本比鋰離子電池材料成本低約40％，改換電池后，低速電動汽車仍然有成本優(yōu)勢，與鋰離子電池電動汽車相比有較大的競爭優(yōu)勢，將有助于‘三個一’目標(biāo)的實現(xiàn)。”胡勇勝說。
據(jù)了解，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，鈉離子電池還將推廣到通訊基站、家庭儲能、電網(wǎng)儲能等領(lǐng)域。目前，鈉離子電池項目獲得了天使輪投資，正在江蘇溧陽進(jìn)行產(chǎn)品中試。胡勇勝說：“目前產(chǎn)品中試結(jié)果令人滿意，生產(chǎn)計劃正按步驟進(jìn)行，今年秋季有望實現(xiàn)核心材料的規(guī)模生產(chǎn)和電芯試制。”
高性能電極材料的開發(fā)對實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化應(yīng)用至關(guān)重要，胡勇勝帶領(lǐng)的團(tuán)隊率先取得鈉離子電池技術(shù)的突破，這在國際上也處于領(lǐng)先地位。未來，這一技術(shù)在低速電動汽車、規(guī)模儲能中將發(fā)揮積極用途，棄風(fēng)、棄光而浪費(fèi)的能源也有望得到充分利用。
