鈉離子電池：后起之秀，也是中國的機會

來源：中科院物理所

胡勇勝 中國科學院物理研究所研究員

二次電池與能源變革

自1800年意大利物理學家亞歷山德羅?伏特發(fā)明了人類歷史上的第一個電池——伏打電堆以來，電池這種能夠提供持續(xù)而穩(wěn)定電流的裝置歷經200余年的發(fā)展，不斷滿足人們對電力靈活運用的需求。近年來，隨著對可再生能源利用的巨大需求和對環(huán)境污染問題的日益關注，二次電池（又稱可充電電池或蓄電池）這種能夠將其他形式能量轉換成的電能預先以化學能的形式存儲下來的儲能技術，在新一輪能源變革中迎來新的發(fā)展機遇。
在眾多二次電池中，鋰離子電池率先把握住了這一重要發(fā)展機遇。二十世紀七十年代在歐洲開啟研究，1991年在日本實現(xiàn)商業(yè)化，迅速獲得市場的認可，成為“4C” 產品（即計算機、通訊、網絡和消費電子）不可或缺的重要組件。近二十年來，又在各國政府的大力支持下，鋰離子電池在新能源汽車領域的發(fā)展勢頭同樣強勁，同時中關村儲能產業(yè)技術聯(lián)盟2019年統(tǒng)計數據顯示在全球電化學規(guī)模儲能示范項目中，鋰離子電池的占比高達80%。
目前，全球鋰離子電池的生產制造規(guī)模達到了空前水平，2019年的諾貝爾化學獎給予了鋰離子電池極高的肯定。 盡管如此，僅靠鋰離子電池這一項儲能技術并不能全面改變傳統(tǒng)能源結構，受鋰資源儲量（~17ppm）和分布不均勻（~70%在南美洲）的限制（特別是我國目前80%鋰資源依賴進口），鋰離子電池難以同時支撐起電動汽車和電網儲能兩大產業(yè)的發(fā)展。因此，鋰離子電池的替代或備選儲能技術成為世界各國新能源技術競爭焦點，誰將成為繼鋰離子電池之后的另一儲能技術新星備受矚目。

鈉離子電池：后起之秀

在此背景下，與鋰離子電池具有相同工作原理和相似電池構件的鈉離子電池再次受到關注。實際上，早在二十世紀七十年代末期鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時開展研究，由于受當時研究條件的限制和研究者對鋰離子電池研究的熱情，鈉離子電池的研究曾一度處于緩慢和停滯狀態(tài)，直到2010年后鈉離子電池才迎來它的發(fā)展轉折與復興，近十年來鈉離子電池的研究更是取得了突飛猛進的發(fā)展。這離不開對鋰離子電池研究經驗的成功借鑒，更離不開對鈉離子電池本征優(yōu)勢的不斷探索。

隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)鈉離子電池不僅具有鈉資源儲量豐富、分布廣泛、成本低廉、無發(fā)展瓶頸、環(huán)境友好和兼容鋰離子電池現(xiàn)有生產設備的優(yōu)勢，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應性、安全性能和無過放電問題等優(yōu)勢（圖1）。同時借助于正負極均可采用鋁箔集流體構造雙極性電池這一特點，可進一步提升鈉離子電池的能量密度，使鈉離子電池向著低成本、長壽命、高比能和高安全的方向邁進。

圖1 鈉離子電池優(yōu)勢

經過世界各研究組的共同努力，鈉離子電池在電極材料、電解質材料、表征分析、儲鈉機制探索和電芯技術等方面不斷取得突破，鈉離子電池相關文章的發(fā)表數量迅速增加，專利的申請數目逐年遞增。2020年，美國能源部公布了對電池研究計劃的布局，著力開展對動力電池和儲能電池的基礎研究與先進制造，在此計劃中明確將鈉離子電池作為儲能電池的發(fā)展體系。歐盟儲能計劃 “電池2030” 項目公布了未來重點發(fā)展的電池體系，包括鋰離子電池、非鋰離子電池和未來新型電池，其中將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。
歐盟“地平線2020研究和創(chuàng)新計劃”更是將“鈉離子材料作為制造用于非汽車應用耐久電池的核心組件”重點發(fā)展項目（資助800萬歐元）。截至2020年，全球已約有二十多家企業(yè)致力于鈉離子電池的研發(fā)，包括英國Faradion公司、法國Timat、日本岸田化學、美國Natron Energy等公司，以及我國的中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電等公司，都在進行鈉離子電池產業(yè)化的相關布局，并取得了重要進展。 由此可見，鈉離子電池已成為世界各國競相發(fā)展的儲能技術。現(xiàn)在的問題是，在新一輪的電池技術角逐中，中國是否有機會率先在全球范圍內實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化？

我國的鈉離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

從國家能源安全而言，我國的基本國情為鈉離子電池在中國的產業(yè)化提供了肥沃土壤。從能源結構來看，我國是一個富煤、少氣、缺油的國家，致使我國成為煤炭使用量世界第一，二氧化碳排放量世界第一，石油進口量世界第一和天然氣進口量世界第一的國家。當前，世界政治、經濟格局深刻調整，能源供求關系深刻變化，我國能源資源約束日益加劇，能源發(fā)展面臨一系列新問題新挑戰(zhàn)。

如何降低我國對外進口依存度，降低二氧化碳排放量，提高能源安全保障，改善生態(tài)環(huán)境是亟待解決的重大問題。能源綠色低碳轉型是我國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，我國政府對儲能技術的研究開發(fā)和應用推廣給予了高度重視，已出臺多項支持政策。2015年09月26日，國家主席習近平在聯(lián)合國發(fā)展峰會，發(fā)表題為《謀共同永續(xù)發(fā)展 做合作共贏伙伴》的重要講話并宣布“中國倡議構建全球能源互聯(lián)網，推動以清潔和綠色方式滿足全球電力需求”。

能源互聯(lián)網是基于可再生能源的分布式、開放共享網絡, 能源互聯(lián)網的基礎是儲能。 面對如此龐大的需求，儲能技術的發(fā)展迎來了不可忽視的機遇。鈉離子電池技術在中國的商業(yè)化進程必將勢不可擋，不僅能夠在構建能源互聯(lián)網中發(fā)揮重要作用，滿足新能源領域低成本、長壽命和高安全性能等要求，還能夠在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲能電池發(fā)展受限問題，是鋰離子電池的有益補充，同時可逐步替代環(huán)境污染嚴重的鉛酸電池，推動我國清潔能源技術應用邁向新臺階，為我國能源安全和社會可持續(xù)發(fā)展提供保障。

從產業(yè)需求推動而言，我國的儲能市場為鈉離子電池在中國的產業(yè)化創(chuàng)造了必要條件。近年來，我國清潔能源產業(yè)不斷發(fā)展壯大，產業(yè)規(guī)模和技術裝備水平不斷提升，為緩解能源資源約束和生態(tài)環(huán)境壓力做出了突出貢獻。但同時，清潔能源發(fā)展不平衡、不充分的矛盾也日益凸顯，特別是清潔能源消納問題突出，已嚴重制約電力行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

中國科學院物理研究所陳立泉院士在最新召開的2020年儲能國際峰會中多次倡導要大力發(fā)展儲能技術，促電動中國，保能源安全。他對我國儲能行業(yè)的現(xiàn)狀做了詳細分析，指出2018年全國數據中心共耗電1609億度電，占中國全社會用電量的2.35%；2018年我國棄光、棄風、棄水電量共計1022億度電；隨著5G基站建設進程加快，我國至少需要新建或改造1438萬個基站，存在155 GWh電池的容納空間，對儲能電池的需求必將大幅提升。

面對巨大的儲能市場，鈉離子電池以其低成本、長壽命和高安全的諸多優(yōu)勢有望在低速電動車、電動船、數據中心、通訊基站、家庭/工業(yè)儲能、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網等多個領域快速發(fā)展（圖2），提升我國在儲能技術領域的競爭力與影響力。

圖2 鈉離子電池潛在應用領域

從核心技術層面來看，我國的技術儲備為鈉離子電池在中國的產業(yè)化做好了充分準備。我國在鈉離子電池的研發(fā)方面處于國際領先水平，在核心材料體系方面具有完全獨立自主的知識產權，部分專利還獲得了美國、日本和歐盟的授權。這預示著我國不僅不會在核心技術方面遭遇卡脖子的危險，而且還有機會為鈉離子電池爭取更大的海外市場。除了關鍵材料的研發(fā)，相關企業(yè)不斷有序推進關鍵材料放大制備和生產、電芯設計和研制、模塊化集成與管理，推動鈉離子電池的商業(yè)化進程。其中，國內首家專注于鈉離子電池研發(fā)的企業(yè)——中科海鈉公布的數據顯示，鈉離子電芯能量密度已接近150 Wh/kg, 循環(huán)壽命達4000次以上，高低溫性能優(yōu)異、安全性高、具備快充能力；并于2018年6月，推出了全球首輛鈉離子電池（72 V?80 Ah）驅動的低速電動車，并于2019年3月發(fā)布了世界首座30 kW/100 kWh鈉離子電池儲能電站，標志我國在鈉離子電池的應用示范方面走在了世界前列。目前，我國在鈉離子電池產品研發(fā)制造、標準制定以及市場推廣應用等方面的工作正在全面展開，為鈉離子電池在中國的商業(yè)化奠定堅實的基礎。 總之，在全球大規(guī)模儲能產業(yè)快速發(fā)展的今天，特別是在眾多電化學儲能技術中，作為最接近鋰離子電池技術的鈉離子電池將憑借其獨特的優(yōu)勢在儲能領域擁有廣闊的用武之地。我國鈉離子電池在基礎研究、技術水平和產業(yè)化推進速度方面都處于國際領先地位，已具備了先發(fā)優(yōu)勢。因此，無論從國家的政策扶持和市場引導等角度，還是企業(yè)自身技術發(fā)展和產業(yè)布局等角度，中國都有機會獲得鈉離子電池產業(yè)發(fā)展的主導權，引領鈉離子電池技術與應用的發(fā)展趨勢，率先在全球范圍內實現(xiàn)鈉離子電池的產業(yè)化和商業(yè)化應用。

責任編輯：xj

原文標題：鈉離子電池：中國的機會

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