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    执着“钠”十年 钠离子电池迎“破晓”

    2020-10-30 中国科学报 田瑞颖
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    语音播报

    钠离子电池电动自行车在中科院物理所开展内部测试。胡勇胜供图

      “如果失败了呢?”

      “成与不成,这辈子只干这一件事。”

      当众多人聚焦锂离子电池的时候,中国科学院物理研究所研究员(以下简称物理所)胡勇胜把目光转向了冷门的钠离子电池,“一眼”就是10年。而就是这“一眼”,让他打开了钠离子电池产业化的大门。

      此时的胡勇胜,已是中科海钠的创始人。不久前,中科海钠生产的全球首款具备自主知识产权的钠离子电池实现量产,目前电芯产能可达30万只/月。

      从“一枝独秀”到“珠联璧合”

      有着200余年历史的电池在新一轮能源革命中迎来“大浪淘沙”。上世纪90年代,在众多二次电池中,锂离子电池率先抓住机遇强劲发展。据中关村储能产业技术联盟2019年数据显示,在全球电化学规模储能示范项目中,锂离子电池占比高达80%。

      然而锂离子电池却面临无法回避的“天花板”。

      “在二次电池中,锂离子电池的性能虽是最好,但锂资源的储量有限,且70%分布在南美洲,而目前我国80%锂资源依赖进口。锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。”胡勇胜告诉《中国科学报》。

      “一枝独秀”的锂离子电池已无法全面改变传统能源结构,“百花齐放”的二次电池中,替代或补充锂离子电池的储能技术成为国际新能源技术的竞争热点。

      不仅如此,曾经的“主力队员”铅酸电池因其不可避免的环境污染及无法满足新国标面临“退役”问题,2019年4 月,《电动自行车安全技术规范》强制性国家标准规定电动自行车的整车质量(含电池)不高于55kg,但目前市场上铅酸电池电动自行车重量普遍超70kg。

      “目前碳酸锂大概4万元/吨,如果用锂离子电池替代铅酸电池,电动自行车的成本将大幅上涨。而碳酸钠平均仅有2000元/吨,用钠离子电池替代铅酸电池的优势显而易见。”胡勇胜告诉记者。

      在胡勇胜看来,钠离子电池具备低成本、长寿命和高安全性能等优势,不仅能在一定程度上成为锂离子电池的补充,缓解锂资源短缺的问题,还能逐步替代环境污染严重的铅酸电池,保证国家能源安全和社会可持续发展。

      值得一提的是,钠离子电池巨大的储能市场还包括光伏、风能等新能源接入储存系统。据了解,2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度。胡勇胜说:“储能是智能电网的重要环节,钠离子电池因其成本及资源优势将在大规模储能市场中大有作为。”

      “此外,钠离子电池凭借其诸多优势还有望在低速电动车、电动船、数据中心、通信基站、家庭/工业储能领域快速发展。”胡勇胜表示。

      “要做用户最需要的”

      近年来,国际领域纷纷加码钠离子电池研发。2020年,美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系;欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。

      实际上,在胡勇胜团队开展研究时,虽然钠离子电池不是热门领域,但已有其他团队在研究。但胡勇胜给自己定了“做科研就要做用得上的研究,做用户最需要的钠离子电池”的目标:“我们要做老百姓能买得起的低成本、高安全的电池。”

      “降低电池正负极材料成本”成为胡勇胜团队首先思考的重要课题。目前锂离子电池常用的活性元素是Ni和Co,但成本较高。“能否找到又有活性成本又低的元素替代呢?”通过不断的研究,胡勇胜团队发现Cu在钠离子电池中不但具有活性,且成本只有Co的1/4和Ni的1/2,正是替代Ni和Co的“完美”元素。

      经过多年的探索,胡勇胜团队最终成功研制出Cu基钠离子层状氧化物正极材料。

      挑战接踵而至——钠离子电池负极材料成本如何降低?“当时,石墨作为成熟的锂离子电池负极材料却几乎不具备储钠能力;无定形硬碳是众多研究的焦点,但价格较高。通过对碳源前驱体进行调研,我们发现无烟煤的成本平均1800元/吨,如果用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本。基于这样的考虑,我们立即开始实验,最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。”胡勇胜回忆道。

      在团队成员、中科院物理所副研究员陆雅翔看来,成功降低钠离子电池成本的关键在于敢于另辟蹊径、大胆创新。“在当时,国内外对钠离子电池的研究主要集中于借鉴锂离子电池的研发思路,所以迟迟没有突破性的进展,我们另辟蹊径,尝试探索别人忽视的、认为不可能的道路。”

      在攻克钠离子电池正负极材料成本问题后,胡勇胜团队继续深入挖掘钠离子电池的其他优势,发现钠离子电池不仅拥有更好的安全性,在零下40℃的低温时,钠离子电池汽车还能释放80%的电量,比锂离子电池汽车更加“耐寒”。

      “此外,钠离子电池汽车充电速度更快,仅需20分钟,接下来将挑战10分钟的充电速度。”胡勇胜告诉记者。

      对于电池制备而言,建立完整的生产线至关重要但投资巨大。而钠离子电池可以直接使用锂离子电池的生产线,无需重建。“不久前,我们使用锂离子电池生产线生产了8万只钠离子电池。这(用锂离子电池的生产线)让钠离子电池市场化的速度更快。”胡勇胜表示。

      目前,胡勇胜团队在钠离子电池正负极材料、电解液等关键材料体系和电芯制造、装配工艺等工程技术上都已具备完全自主研发能力,产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。

      眼前有产业 脚下有科研

      胡勇胜与物理所的缘分已有20年。2001年,胡勇胜便来到物理所攻读博士学位,师从中国工程院院士陈立泉。正是这一份师生情谊改变了胡勇胜的职业生涯。

      博士毕业后,胡勇胜先后到德国和美国进修,就在完成学业之时,陈立泉联系胡勇胜,希望他能回到物理所工作。

      “我毫不犹豫地就回来了。陈老师心系国家能源安全,从长远出发推动电动中国梦想的实现,不畏困难,敢于挑战,这种精神令我敬佩。此外,陈老师带领的团队有激情、有梦想、有情怀,我非常喜欢团队的科研氛围。”胡勇胜回忆道,自那时起,他就设定了“做用户最需要的钠离子电池,这辈子只做这一件事”的科研目标。

      胡勇胜也担心会失败:“我也想过可能失败,但如果大家都在观望一个领域时,它可能是机遇,如果大家都已经开始做了,可能它就不再是机会了。”

      但技术产业化与做科研完全不同。在胡勇胜看来,“基础研究强调前沿性,而产业化要做以用户为导向和市场需要的产品,不能为了新而新。此外,实验室研究阶段很多问题是看不见的,而当进入工程化阶段后,要保证产品的一致性和稳定性,是很有挑战的事情”。

      “酒香也怕巷子深!”寻找投资人和合作者,为科研成果注入转化资本,是科研成果转化的必经且不易之路。胡勇胜告诉记者,产业化初期,出差作报告、谈合作、找厂家塞满了胡勇胜的日程,“那些年,我不是在出差,就是在出差的路上”。

      随着钠离子电池产品的优越性能和低廉成本逐渐被国内外所认可,胡勇胜也从最初的主动找合作,转变为越来越多的合作“找上门”,产业化的“羊肠小道”逐渐走成了“康庄大道”。

      十年磨一剑。今年是胡勇胜团队深耕钠离子电池的第10年,也是中科海钠市场化的“破晓”之刻,他对未来充满了期待。他期待钠离子电池能够走进寻常百姓家,成为守护国家能源安全的“主力军”。

      “但科研是产业化的基础,在带领团队产业化的同时,还必须潜心科研,为实现钠离子电池充电更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的目标夯实基础。”胡勇胜感慨道。

    (原载于《中国科学报》 2020-10-30 第3版 转移转化)
    打印 责任编辑:董凯悦
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