鈉離子電池是什么?市場上已經(jīng)有鋰離子電池，鈉離子電池有競爭力嗎?
6月28日，全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)在山西太原正式投入運營，在儀式現(xiàn)場，記者向中科院物理所研究員、中科海鈉科技責(zé)任有限公司董事長胡勇勝提了這個問題，胡勇勝告訴記者，鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低，但是鈉離子電池的安全性、經(jīng)濟性、工作溫度、循環(huán)周期等多項指標都優(yōu)于鋰離子電池，更重要的是鈉離子電池不含貴金屬，破解了稀缺資源卡脖子難題。
石油卡脖子轉(zhuǎn)變?yōu)殇囐Y源卡脖子
隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)和百姓生活對汽柴油的需求量越來越大。但是，我國的能源結(jié)構(gòu)是缺油少氣，煤炭扮演著主要角色。中國工程院院士陳立泉說：“我國礦物能源的結(jié)構(gòu)是煤炭占比為59%，石油為18.8%，天然氣為7.8%，總結(jié)起來就是六個字：富煤、少氣、缺油。”
為了滿足生產(chǎn)、生活的需求，我國不得不大量進口石油，以至于我國的石油對外依存度長期超過警戒線。今年“兩會”期間，全國政協(xié)委員，中國石化集團有限公司總經(jīng)理、黨組副書記，中國工程院院士馬永生曾表示，2020年石油、天然氣對外依存度分別攀升到73%和43%。
國際公認的警戒線是60%，我國石油對外依存度長期高于警戒線，我國存在能源安全隱患。陳立泉院士列了一組數(shù)據(jù)讓人們對我國石油安全的隱患有了更清晰的認識。2018年，我國自產(chǎn)原油1.9億噸，進口原油4.6億噸，并且進口量還在不斷上升，2020年我國進口原油為5.42億噸。
發(fā)展電動汽車可以把我國交通運輸領(lǐng)域?qū)ζ裼偷男枨筠D(zhuǎn)換為對電力的需求，在一定程度上降低我國能源安全風(fēng)險。動力電池是電動汽車最核心的部件，無論是磷酸鐵鋰還是三元鋰電池，都必須使用大量的鋰元素。
有資料顯示，按全球的供給量來看，澳洲鋰礦占50%，南美鹽湖占40%，中國的鹽湖和礦山共計10%。我國作為全球最大的電動汽車產(chǎn)銷國，對鋰資源有巨大的需求量，但是，南美洲的局勢變化莫測，給我國鋰資源進口蒙上一層陰影。近年來，我國與澳大利亞的關(guān)系持續(xù)緊張，鋰資源供應(yīng)也存在很多變數(shù)。
鋰元素主要有兩種來源：鹽湖鋰和礦山鋰。鹽湖開采更為容易，成本低廉，目前在產(chǎn)的三大鹽湖：Atacama、Hombre Muerto和Olaroz，還有兩個在開發(fā)鹽湖Caui和Vida，均位于南美洲智利、阿根廷和玻利維亞的三國交接處。有地緣政治家曾表示，如果全世界的汽車都換成鋰電池，南美洲將成為新的中東。這句話意味深長。
我國不是鋰資源大國。美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的數(shù)據(jù)顯示，中國的鋰資源儲量僅占全球的20%，而智利的儲量占到全球一半，全球三分之二的鋰集中在南美。我國的鋰資源位于高海拔地區(qū)，開采條件非常艱難，也存在鎂鋰比很高，導(dǎo)致開采成本高的難題。這些困難促使國內(nèi)鋰電池企業(yè)更愿意進口鋰資源。
2020年上半年，我國新能源汽車產(chǎn)銷突破了10%的重要節(jié)點，產(chǎn)銷進入加速增長期，對鋰資源的需求進一步增大。然而，鋰資源供應(yīng)存在很多不確定性，我國存在鋰資源對外依存度過高的隱患。胡勇勝說：“隨著新能源汽車產(chǎn)銷量增長，我國有可能從石油卡脖子轉(zhuǎn)變?yōu)殇囐Y源卡脖子。”
陳立泉院士還提到，目前全球探明的可供開采的鋰資源儲量僅能滿足14.8億輛電動汽車。2020年，我國機動車保有量達3.72億輛，電動汽車汽車的占比還比較低，顯露不出鋰資源的巨大壓力，隨著保有量進一步攀升，鋰資源供應(yīng)的隱患將凸顯。
三元電池在乘用車上使用量較大，并且超過磷酸鐵鋰電池，三元電池中含有鈷和鎳，這二種元素也是我國比較稀缺的資源。綜合來看，電動汽車產(chǎn)銷量越高，我國鋰、鈷、鎳的對外依存度都將不斷提高。
鈉電池破解稀缺資源卡脖子難題
我們經(jīng)常聽到氫燃料電池、鋰電池，氫和鋰都位于元素周期表的第一列，記者注意到鈉元素也位于第一列，氫的原子量為1，鋰的原子量是7，鈉的原子量為23。胡勇勝告訴記者，如果只考慮能量密度，氫元素最高，但燃料電池的使用并沒有鋰電池廣泛，商業(yè)應(yīng)用還要考慮安全性，經(jīng)濟性，生產(chǎn)工藝等。鈉電池的能量密度比鋰電池低，但是，安全性，經(jīng)濟性，生產(chǎn)工藝、環(huán)境友好等都比鋰電池有較高的優(yōu)勢。
我國已制定一系列標準檢驗動力電池是否合格，擠壓、短路等都是檢測項目，鈉離子電池經(jīng)受住了所有的考驗。胡勇勝告訴記者：“鈉離子電池已通過中汽中心的檢測，針刺時不冒煙、不起火、不爆炸，經(jīng)受短路、過充、過放、擠壓等實驗，鈉離子電池也不起火燃燒。”
安全具有一票否決權(quán)，各國對鋰電池的使用安全極為重視，但全球鋰電池在使用過程中仍然發(fā)生多起起火事故，電動汽車起火已不計其數(shù)，儲能電站起火導(dǎo)致的事故比較嚴重，更加受到關(guān)注。據(jù)不完全統(tǒng)計，2011-2021年間，全球共發(fā)生32起儲能電站起火爆炸事故，其中，日本1起、美國2起、比利時1起、中國3起、韓國24起。這些起火爆炸的儲能電站全部使用鋰電池。
前不久公布的《新型儲能項目管理規(guī)范(暫行)》征求意見稿第十四條明確透露出原則上不再新建梯次利用儲能電站。有業(yè)內(nèi)人士告訴記者，豐臺儲能電站起火事故讓決策層非常謹慎，這等于否定了動力電池在儲能上的梯次利用。
鋰電池還很驕貴，不能過充，也不能過放，這對BMS提出了較高的要求。以往我國發(fā)生的多起電動汽車起火事故，部分原因是電動汽車充滿之后沒有及時撥槍，導(dǎo)致過充。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，這有利于BMS調(diào)整電池的一致性。
據(jù)介紹，鋰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)，需要通過BMS進行調(diào)控才能確保一致性。如果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)控變得相對簡單。鈉離子電池可以過放的特性，在電池運輸上特別有用，不帶電運輸極大地降低發(fā)生事故的概率。
鈉離子電池中沒有貴重金屬，鈉元素也是大自然含量極其豐富的資源，這注定了鈉離子電池電池的成本比鋰電池低。陳立泉說：“鋰在地球中的占比僅為0.0065%，鈉為2.75%，地球中有豐富的鈉資源，海洋中就有大量的鈉鹽。資源秉性也注定了鈉離子的經(jīng)濟性好于鋰離子。”
鈉離子電池的能量密度低于鋰電池，但功率密度、寬溫和循環(huán)壽命等方面也具有獨特的優(yōu)勢。據(jù)介紹，鈉離子電池的能量密度已達到145Wh/kg，比磷酸鐵鋰的180 Wh/kg低一些，遠高于鉛酸電池的30 Wh/kg。鈉離子電池的工作溫度為-30℃～55℃，比磷酸鐵鋰優(yōu)秀，循環(huán)4500次以上，這個成績高于磷酸鐵鋰。
十年磨一劍
胡勇勝不是第一位研究鈉離子電池的科學(xué)家，十年磨一劍，胡勇勝帶領(lǐng)的團隊專注于此，最早拿出科研成果走向商業(yè)化。6月28日，全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)在山西太原正式投入運營，這標志著我國鈉離子電池儲能在世界上取得領(lǐng)先地位。山西太原正式投入運行的儲能系統(tǒng)也將為制定鈉離子電池儲能的國際標準積累經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。
胡勇勝下決心研究鈉離子電池的時候，關(guān)注過國外同行的研究情況，他發(fā)現(xiàn)，國外同行在研究鈉離子電池時受鋰離子電池的影響太大，正極材料使用鎳、鈷、錳，這種做法沒有前途，如果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，重量也比鋰電池重，這注定鈉電池沒有明顯的優(yōu)勢。
胡勇勝通過研究發(fā)現(xiàn)銅在鈉離子電池中不但具有活性，而且銅的成本比鈷和鎳都低，既有活性成本又低，這恰恰是胡勇勝不斷尋求的替代材料，經(jīng)過不斷摸索，胡勇勝帶領(lǐng)團隊最終成功研制出Cu基鈉離子層狀氧化物正級材料。
解決了正極材料還不算成功，負極材料的難關(guān)也要攻克。鋰電池普遍采用石墨作為負極材料，但胡勇勝研發(fā)的鈉離子電池使用了更便宜的軟碳材料。據(jù)介紹，鈉離子電池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)異儲鈉性能的碳負極材料。
胡勇勝告訴記者，這輩子就干這一件事，為新能源產(chǎn)業(yè)做一點微薄的貢獻。全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)投入運行之后，一條2000噸的材料生產(chǎn)線正在建設(shè)之中。胡勇勝的團隊能夠邁出鈉離子電池商業(yè)化步伐，利益于前幾年在江蘇溧陽建設(shè)了一條試驗線，積累了一定的經(jīng)驗。
全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)正式投入運行，將有力地推動我國新能源產(chǎn)業(yè)快步向前，更重要的是鈉離子電池破解了稀缺資源卡脖子難題。(萬仁美)
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