作者:廖洋 王冰笛 来源:中国科学报 发布时间:2023/10/30 8:40:45
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产业化黎明初现!
青岛能源所完成固态钠离子电池组在低速电动车装车示范

 

日前,中国科学院青岛生物能源与过程研究所(以下简称“青岛能源所”)传来好消息,60伏特钠离子电池组在电动两轮车的装车示范顺利完成!这意味着,电池行业迎来了新发展,新能源领域的创新和发展注入了新的活力。

青岛能源所固态能源系统技术中心主任、青岛储能产业技术研究院执行院长崔光磊对《中国科学报》表示:“我国钠离子电池发展已具备先发优势。目前,在材料和电池体系研发方面,以及产业化推进速度、示范应用与专利布局等方面,我们都处于国际前列。”

新能源新星冉冉升起

近年来,随着锂离子电池在我国越来越多领域中被大规模使用,一个无法回避的资源型问题也随之而来——我国的锂资源高度依赖进口。据统计,世界上70%的锂离子电池产自我国,但生产锂离子电池所需的锂资源却有80%需要进口。这意味着,一旦生产所需的锂资源被“卡脖子”,新能源产业将被瞬间冻结。寻找资源丰富的互补替代型电池技术成为破题关键。

就此,与锂离子电池原理极其类似的钠离子电池脱颖而出。我国是生产钠金属的第一大国,钠资源丰富,产业健全。含钠资源产品既能实现自给自足,也能对外输出。最重要的是,钠离子电池与锂离子电池原理相似,为摇椅式二次电池。而地壳中钠资源储量超过锂资源储量1000多倍,一旦钠资源合理利用,被卡脖子的锂资源难题将迎刃而解。

“充电时,钠离子从正极脱出,经过电解液嵌入到硬碳负极层间距中;放电时则相反。钠离子电池的构造工艺与锂离子电池类似,仅仅替换材料中的元素。”团队核心骨干、青岛能源所研究员赵井文介绍:“钠离子电池的制造可以完全兼容锂离子电池的制造过程、沿用或复用大部分锂离子电池的生产线,产业链健全后可使成本降低40%。”

此外,钠离子电芯单体能量密度可达160瓦时/千克,电池能量密度既与磷铁电池差异小,又远高于铅酸电池的能量密度。因此,兼具锂离子电池性能和铅酸电池价格优势的钠离子电池,在各行应用市场上广受欢迎,在低端电动汽车、大规模储能、城市轨道交通、电网设备、应急电源、港口机械等新能源领域,都具有强劲市场前景。

目前,钠离子电池已成为各国竞相发展的储能电池,国内外许多研究机构和企业都希望争取在钠离子电池产业爆发前,迅速抢占其市场制高点。

2011年,全球首家专注钠离子电池工程化的英国公司FARADION率先成立。截至目前,全球已有超过20家钠离子电池相关企业,主要分布在中国、美国、欧洲以及日本。国外大多为初创型企业,以技术研发和战略布局为主,尚未形成规模。而我国高新技术企业,研究成果显著,相关钠离子电池产品已经装车示范,正助推我国在钠离子电池研究和产业化走向世界领先地位。

“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,我们致力于使它成为引领我国新一轮能源革命的契机。”崔光磊团队如此说,也如此践行。

崔光磊与团队核心骨干  青岛能源所供图 

身为“国家队”  承担“国家责”

“价廉和物美是影响产业化进程发展的两个关键要点,而后者更是直接决定产品性能的重要因素。虽然钠离子电池与锂离子电池工作模式相似,但两者在某些方面的不同性质,致使钠离子电池在替代锂离子电池发展过程中存在诸多难题。”赵井文指出。

第一,与锂离子相比,钠离子的离子半径更大,因此在材料中的扩散动力学更迟缓。第二,较大的钠离子半径会导致储钠主体材料的晶格应力较大,进而导致晶体结构坍塌和材料循环稳定性变差。第三,钠离子的相对原子质量大于锂离子,因此,钠离子电池的理论容量通常比锂离子电池小,重量比能量密度比较低。这些问题中,动力学迟缓也是导致钠离子电池实际容量与理论容量存在明显差距的主要原因之一,更是限制钠离子电池寿命的主要原因。

团队成员、青岛能源所王进芝博士补充说道:“基础研究尚且存在如上三个待攻克难题,而在实际应用方面,如有机电解质易燃、易泄露的安全性风险等,都是钠离子电池在进一步发展与应用中急需克服的难题。”

为解决这些问题,崔光磊带领团队从科学与实用角度出发,研究出一套低成本、高稳定性、长寿命的钠离子电池体系。

其实,早在2011年,崔光磊团队就开始了最早的钠离子电池的探索。那时,钠电池还被视为冷门课题,放眼国内外,研究的单位都是少之又少。

“当意识到锂存在资源性的忧患,第一时间,我们就开会进行了前瞻性部署,对资源优势更大的新型可替代可互补的电池技术展开了探索。”崔光磊坦言,“我们是中国科学院的科研人员,既是‘国家队',必担‘国家责'。”

就这样,在相应材料体系和科学机制尚不清晰的环境下,崔光磊带领团队开始进行钠离子电池及材料体系的研究与开发,并快速进行专利的布局。

随后的五年中,团队不断进行探索,深挖钠离子电化学科学机制,取得了一系列原创性进展。

“为了解决钠离子电池能量密度低的难题,我们创新研发了多孔石墨集流体及相应的预钠化技术,提高了钠离子电池的电量释放,并减小了电池的重量。这两者协同提升了电池的能量密度,成功降低了钠离子电池的成本。”赵井文娓娓道来。

如此,成本得到了有效降低,而钠离子电池的安全性如何进一步提高呢?

安全性对实现其大规模商业化应用至关重要,这是行业技术难题,也是团队面临的又一个“硬骨头”。当即,崔光磊组织调配团队核心力量建立对标老科学家的青年技术攻关突击队,聚焦攻关,践行科学精神,全力攻坚克难。

要超越就要抢在时间的前头!压力重,任务紧,怎么办?突击队定下心,咬紧牙关,每日往返在实验室和办公室,两点一线,心无旁骛,全身心投入到钠离子电池的产业化研发中。

2016年,付出迎来了新的回报!通过前期大量深入的基础研究,团队创新地提出了原位固态化技术。该技术可以克服常规液态有机电解液组装的钠电池在工况条件下长期运行存在燃爆和漏液的安全隐患的瓶颈问题。

“我们又开发出了高离子电导率的聚丙烯酸酯基聚合物电解质,改善固态电解质与电极材料间的界面离子传输性能,并申请了专利保护;同时,该聚合物电解质组装的钠离子电池不含有液态有机电解液,具有极高的安全性,实现了钠离子电池安全性能的大幅提升。”王进芝向记者细数着好消息。

随后几年里,团队在钠离子固态输运的科学问题方面持续深耕,在聚合物固态电解质中引入具有阻燃特征的磷酸酯单元,进一步提升了钠电池的安全性能。团队组装的软包钠离子电池在弯折或者切角苛刻条件下仍能安全工作,不发生漏液或起火危险。

目前,团队已经在固态钠离子关键材料及单体制备技术方面申请了中国发明专利20余项,在《德国应用化学》等学术杂志发表论文30余篇,被引用超过1千次。

“我们的成果在青岛赛锂达储能产业技术研究院有限公司等孵化企业中陆续授权进行转化。我们相信,这些科研成果将扮演引擎角色,一方面为钠离子电池的产业化发展提供不竭动力,另一方面也为国家新能源产业发展及随之而来的能源系统革新提供强有力的低成本储能技术支撑。”崔光磊说。

青岛能源所固态钠离子电池应用示范  青岛能源所供图

面向未来,抢占钠离子电池行业制高点

秉持“物美价廉、安全可靠”的设计理念,崔光磊团队历经多年科研攻关,终于开发出具有完全自主知识产权的低成本、高安全及长使役寿命钠电池及电源系统。团队创造性地建立了一系列综合性能优异的固态电解质体系,研发出全新高能量密度的“钠固1号”型固态钠离子电池。

从性能上看,“钠固1号”拥有高安全、强动力、长续航及长寿命四大优势,并且拥有针刺测试不冒烟、不燃烧、不爆炸的特点,领先于国内外钠离子电池平均水平。

“近年来,受新国标影响,锂电渗透率快速上升,2021年,锂电渗透率在百分之二三十。在小动力领域,钠离子电池凭借成本和安全等优势,会有非常大的替代空间。预计2024年,将会有几十万辆搭载钠电池的电动两轮车推向市场;2025年,则会有更多更大规模的使用。未来,如果钠离子电池在成本、安全方面优势更突出,其在小动力车型上的市占率会达到百分之三十至四十,甚至更高。”赵井文预测。

从电动二轮车整车成本拆分来看,电池、电机、控制器为核心组件,成本占比分别为23%、12%、4%;车架、前叉、轮胎、充电器分别占比10%、4%、3%、2%,其他成本占比41%。这意味着,电池作为整车成本占比最高的部分,其价格变化会显著影响单车净利。因此,兼具储备丰富,成本低优势的钠元素,结合科研团队的攻克成果,脱颖而出,在电动二轮车行业加速渗透。

目前,该钠离子电池已经完成60V20Ah电池组在电动两轮车的装车示范。该电池模组以1P20S的方式成组而成,重量约10千克,标准载重75千克,标准续航里程70千米。

“下一步,我们将升级产品、优化工艺,研发新材料,未来的第二代、第三代固态钠离子电池,将会拥有更高的电芯能量密度和循环寿命,家庭储能、工商业储能等领域的应用未来可观。”对此,崔光磊充满信心。

 

 

 
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