作者:赵广立 田瑞颖 来源:中国科学报 发布时间:2022/2/8 13:51:03
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钠离子电池:“备胎”转正何日可期?

 

“许多人对钠离子电池寄予厚望,您怎么看待它的前景?”在2021年腾讯WE大会期间,《中国科学报》记者将这一问题抛给了动力电池与储能及燃料电池技术科学家王朝阳。

“钠离子电池是磷酸铁锂电池的‘备胎’。”他简单、直接的回答让记者颇感意外。毕竟,钠离子电池已经在国内引发极大关注。

“说它是‘备胎’,是因为其各方面性能与磷酸铁锂非常接近,除非后者的供应链遇到困难,从经济或性能上有必要启用钠离子电池。”王朝阳说。

中国科学院院士欧阳明高也曾对《中国科学报》明确表示“锂电池还会用很久”。目前钠离子电池各方面性能还不能满足高性能汽车使用要求,预计到2035年钠、钾离子电池性能大幅提升、比能量达到300瓦时/千克左右时,才会大规模进入市场。

面对被称为“备胎”的钠离子电池,中国还能抓住哪些机会?

产业布局热火朝天

与前述科学家的分析对比鲜明的另一番光景是,市场上对钠离子电池的产业化准备似乎都在“赶早不赶晚”,且布局者中不乏锂电池上下游企业。

2021年底,国内锂电龙头宁德时代在投资者互动平台上表示,公司的钠离子电池产业化布局已经启动,并将在2023年左右形成基础产业链。

早在2021年7月,宁德时代就发布了其第一代钠离子电池,并透露该钠离子电池的电芯单体能量密度已经达到160瓦时/千克,在常温下充电15分钟电量可达80%,在零下20°C低温的环境下,可实现90%以上的放电保持率。宁德时代还表示,其下一代钠离子电池能量密度将突破200瓦时/千克。

有业内人士认为,宁德时代发布的钠离子电池能量密度直追磷酸铁锂电池,用此电池可造出续航600公里、冬天“只打9折”的电动车,辅以更好的快充技术,“这样的车型还成不了主流吗?”

在钠离子电池技术及产业化赛道上,还有科技“国家队”的身影。

中国科学院物理研究所(以下简称中科院物理所)自2011年以来致力于安全环保、低成本、高性能钠离子电池技术开发,已在核心材料方面获得专利授权30项(多项专利获得美国、日本和欧盟授权)。相关研发团队开发出的具有自主知识产权的Cu基层状氧化物正极材料和低成本无烟煤基负极材料,均为国际首创。

技术上的突破让中科院物理所迈出产业化的脚步。2017年,国内首家专注于钠离子电池研发与生产的高新技术企业——中科海钠科技有限责任公司(以下简称中科海钠)依托中科院物理所成立。次年,中科海钠研制的钠离子电池组首次实现了在低速电动车上的示范应用;翌年,研制出的钠离子电池储能电站首次实现了在规模储能上的示范应用。

更具里程碑意义的是,2021年12月中旬,中科海钠与三峡集团及阜阳市人民政府达成合作,共同建设全球首条钠离子电池规模化量产线。该量产线规划产能5吉瓦时(GWh),分两期建设,一期1GWh计划于2022年正式投产。

在二级资本市场,已有多家上市企业在2021年加入钠离子电池赛道。据天眼查信息,山西华阳集团新能股份有限公司(简称华阳股份)联手中科海钠,专门成立生产钠离子电池正负极材料的子公司,并展开一系列布局。锂电池模组行业龙头企业“欣旺达”,在投资者互动平台披露其很早以前就开始了钠离子电池研究,并拥有钠离子电池补钠方法及制备方法等多项专利。以启动电池出口为主业的猛狮新能源科技(河南)股份有限公司,近期通过对外合作,完成了18650圆柱钠离子电芯的小批量交付。不过,该公司表示,“受制于国内钠离子电池关键材料供应,目前还不具备量产条件”。

在钠离子电池上游产业链,山东章鼓、鹏辉能源等企业也已谋划布局。山东章鼓近期表示,公司投资的新疆喀什安德新材料拥有PPS体系的锂离子、钠离子固态功能膜片的材料合成技术,可生产半固态的锂、钠电池。鹏辉能源则表示,公司已经做出钠离子电池样品(采用磷酸盐类钠整机与硬碳体系负极),并“有望批量生产”。

政策支撑大路走宽

钠离子电池热潮背后,有政策助力的功劳。

2021年8月,工业和信息化部答复政协第十三届全国委员会第四次会议第4815号(工交邮电类523号)提案称,将组织有关标准研究机构适时开展钠离子电池标准制定,并在标准立项、标准报批等环节予以支持。同时,根据国家政策和产业动态,结合相关标准研究有关钠离子电池行业规范政策,引导产业健康有序发展。

在这份答复全国政协委员高亚光的函件中,工信部称锂离子电池、钠离子电池等新型电池是“推动新能源产业发展的压舱石”,是“实现碳达峰、碳中和目标的关键支撑之一”,并表示将在“十四五”相关规划等政策文件中加强布局,从促进前沿技术攻关、完善配套政策、开拓市场应用等多方面着手,做好顶层设计,健全产业政策,统筹引导钠离子电池产业高质量发展。

与此同时,科技部在“十四五”期间实施的“储能与智能电网技术”重点专项,也将钠离子电池技术列为子任务,目标是“进一步推动钠离子电池的规模化、低成本化,提升综合性能”。

“天使”与“魔鬼”双重身份

市场给力、政策助力的背后,藏着钠离子电池“天使与魔鬼”的双重身份。

市场对钠电池寄予厚望,更多看到的是其“天使”的一面。王朝阳提及“锂资源储量足够”的话虽不假,但其分布不均,70%分布在南美洲,尤其中国锂矿资源与新能源发展所需并不相称。据国际能源署最新数据显示,到2030年,仅靠现有和在建的锂矿生产项目,全球将出现约50%的锂需求缺口。

钠电池“天使”的一面也正在于此:钠元素是地壳中储量第六丰富的元素,是地壳中锂资源的上千倍,且地理分布均匀,成本低廉;同时,钠离子化合物容易获取、价格稳定且低廉;再者,在低电压下钠、铝不会合金化,因此钠电池负极可使用更便宜的铝集流体,从而可进一步降低电池的成本和重量。此外,钠、锂属同族元素,二者物理化学特性及储存机制相似,前者不仅可兼容锂电现有生产设备,还具有相对稳定的电化学特性和安全性,这也让钠电池拥有比锂电池更多的想象空间。

政策希望推动钠电池产业,是因为其目前仍处于研发之中,尚未形成生产规模、缺乏供应链。

钠离子电池坐拥许多优点,为何多年枯坐冷板凳?这就是其“魔鬼”的一面:相比锂离子,钠离子半径更大,在充放电过程中正极材料更易崩塌。这要求正极材料必须有更稳定的结构、有较高的氧化还原电位,才不至于在钠离子脱嵌过程中发生结构坍塌。目前,已发现普鲁士白和层状氧化物两类物质能满足其要求且相对有商业价值。

负极材料同样棘手。常用的石墨虽然便宜好用,但其与钠离子性相不合,钠离子嵌入后易失去电化学活性。此外,在进一步规模化方面,钠电池也对制备工艺和环境友好有着更高要求。

宁德时代的钠离子电池方案中,采用了与石墨同属碳基材料的硬碳作为负极,将正极材料换成钠化合物,并使用特定技术手段处理电解液,初步实现了目标。只是这些技术与材料的成本,尚须在规模化后进一步观察。

中科院物理所研究员、中科海钠创始人胡勇胜告诉《中国科学报》,钠离子电池几乎与锂离子电池同时(20世纪70年代末)开展研究,但在多种原因之下钠离子电池研究一度停滞,直至2010年后才迎来转折与复兴。而随着研究的不断深入,研究者发现钠电池不仅具有上述多种优势,还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点。

基于当前技术及产业化水平,钠离子电池正对污染严重的铅酸电池形成替代之势。

胡勇胜还介绍说,借助于正负极均可采用铝箔集流体构造双极性电池这一特点,可进一步提升钠离子电池的能量密度,可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。

中国的机会

在新能源潮流之下,世界各国都在大力发展或储备钠离子电池技术。

2020年,美国能源部公布了对电池研究计划的布局,明确将钠离子电池纳入储能电池的发展体系。

欧盟储能计划“电池2030”项目公布了未来重点发展的电池体系,将钠离子电池列在非锂离子电池体系首位。欧盟“地平线2020研究和创新计划”也将钠离子材料作为制造非汽车应用耐久电池的核心组件。

截至2020年,全球已有20多家企业致力于钠离子电池的研发。胡勇胜告诉记者,在世界各地研究组努力下,目前钠离子电池在电极材料、电解质材料、表征分析、储钠机制探索和电芯技术等方面不断取得突破,钠离子电池相关文章的发表数量迅速增加,专利的申请数目亦逐年递增。

2021年6月,中科海钠发布全球首个1兆瓦时(MWh)钠离子电池储能系统。这意味着,继铅蓄电池、锂离子电池等电化学储能体系后,钠离子电池开始在储能领域崭露头角,有望推动新能源产业的进一步发展和变革。

这还不是全部。在胡勇胜看来,中国储能市场需求巨大、政府对相应技术研发及应用推广高度重视,钠离子电池作为抓手,未来机遇巨大。

“面对巨大的储能市场,钠离子电池以其低成本、长寿命和高安全的诸多优势有望在各类低速电动车、电动船、数据中心、通信基站、家庭/工业储能、可再生能源大规模接入和智能电网等多个领域快速发展,提升我国在储能技术领域的竞争力与影响力。”胡勇胜说。

胡勇胜认为,我国在钠离子电池领域的技术储备——如电池研发、核心材料体系、关键材料放大制备和生产、电芯设计和研制、模块化集成与管理等方面,已经做好了充分的产业化准备,未来我国“有机会获得钠离子电池产业发展的主导权”。

尽管对钠离子电池持“备胎论”观点,王朝阳也觉得钠离子电池仍将是动力电池多元化“比较重要的元素”。

“为了保证供应链的安全,我们必须坚持对钠离子电池的研发,特别是科研院所、国企、大学等要持续研发,因为即便是‘备胎’,有一天也许就会用上。”王朝阳说。

 
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