中國儲能網(wǎng)訊：在元素周期表中，氫、鋰、鈉、鉀元素排在第一列。研究電池的科學家們把目光也都聚焦在了這里，先后研發(fā)出氫燃料電池、鋰離子電池、鈉離子電池，少數(shù)科學家也在研究鉀離子電池。相對而言，氫燃料電池是一種發(fā)電裝置，堿金屬電池（鋰/鈉金屬電池）才是一次可充放的二次電池。不過，在電池研發(fā)過程中，鋰離子電池漸成主流，鈉離子電池卻鮮有人知。
最近，鈉離子電池又重新回歸人們的視野。前不久，中國科學院物理研究所研究員胡勇勝帶領的團隊在鈉離子電池研究上取得突破性進展，目前科研成果正在轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)實際應用，已在江蘇溧陽進行了產(chǎn)品中試。
與鋰離子電池同時起步的鈉離子電池為何歸于落寞？重新出發(fā)的鈉離子電池有哪些優(yōu)勢，今后又將會如何發(fā)展？對此，《中國汽車報》記者日前獨家專訪了胡勇勝。
■鈉離子電池經(jīng)濟價值高
據(jù)了解，氫燃料電池、鋰離子電池、鈉離子電池幾乎是同時起步。在上世紀70年代的石油危機中，3種電池技術幾乎同時受到科學家們的高度重視，但隨著石油危機的緩解，3種電池技術研究又都被放緩。直到1990年索尼率先在鋰電池技術上取得突破，鋰離子電池重新風行天下。
胡勇勝說：“就材料特性而言，鋰是最好的電池材料，正因為如此，大多數(shù)研究人員把目光投向了鋰元素?！?
相對而言，鈉元素有明顯的缺陷。金屬鋰的原子量為7，鈉的原子量為23，鈉原子比鋰原子重3倍多，這注定了鈉離子電池的重量能量密度不及鋰離子電池。此外，鈉離子的半徑也比鋰離子大很多，在體積能量密度上也不及鋰離子電池。
材料特性似乎判了鈉離子電池的“死刑”。然而，商業(yè)化不能僅考慮能量密度，還需要考慮安全性、經(jīng)濟性等因素。胡勇勝告訴記者，鈉元素來源廣泛，有著很高的經(jīng)濟價值，鈉離子電池的安全性也優(yōu)于鋰離子電池，這是鈉離子電池依然被看好的主要原因。
此外，鋰元素不僅應用在新能源電池上，也應用在玻璃、醫(yī)藥、陶瓷、核工業(yè)等領域，這就導致對鋰資源的需求量巨大。據(jù)了解，僅就消費類電池、動力電池和儲能來看，鋰資源也難以同時支撐。美國地質(zhì)局的數(shù)據(jù)顯示，2015年全球已探明鋰資源量為3950萬噸（中國為540萬噸），可供開采的鋰資源為1350萬噸，如果以特斯拉80kWh電池組用量計算，可開采的鋰資源僅能滿足約15億輛汽車的需求?！澳壳埃蚱嚤Ｓ辛考s為12億輛。如果再加上風電、光伏儲能等的需求量，很顯然，鋰資源將會成為新能源汽車發(fā)展的制約因素?！焙聞僬f。
胡勇勝告訴記者，鈉資源非常豐富，海水中有取之不盡的鈉元素，我們?nèi)粘５氖雏}中也含有大量的鈉元素，鈉離子電池的經(jīng)濟性明顯優(yōu)于鋰離子電池。
■技術壁壘被打破
鈉離子電池一直沒受到重視關鍵還在于技術的壁壘。胡勇勝說，鈉離子電池的原理與鋰離子電池是一樣的，在鈉離子電池研發(fā)中，國外有些研究人員沿用了鋰電池三元材料的思路，正極材料使用鎳、鈷、錳。對于這一做法，胡勇勝并不看好?！叭绻麅H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，這就沒有商業(yè)化前景了?！焙聞僬f。
基于以上分析，胡勇勝的團隊另辟蹊徑，發(fā)現(xiàn)過渡金屬銅（Cu）元素在鈉離子電池層狀材料中可以實現(xiàn)Cu3＋/Cu2＋氧化還原電對的可逆轉(zhuǎn)變。在此基礎上，團隊進一步研究發(fā)現(xiàn)可以利用成本更加低廉的過渡金屬鐵（Fe）元素替換部分Cu和錳（Mn）元素，得到了電化學性能優(yōu)異的材料。胡勇勝說：“該材料的最大優(yōu)點是在電化學脫嵌鈉過程中結(jié)構保持不變，體積變化不到5％。在充放電過程中，較小的體積變化有利于實現(xiàn)長循環(huán)性能?！?
正極材料的問題解決了，負極材料的問題依然存在。胡勇勝告訴記者，目前，石墨作為負極材料，以優(yōu)良的導電性能廣泛應用于三元材料電池之中。他介紹，石墨是規(guī)范的有序結(jié)構，儲存鋰離子能力較強，但儲存鈉離子能力較弱，這限制了鈉離子電池發(fā)展。此外，胡勇勝說：“高度無序的硬碳材料有高比容量和長循環(huán)壽命等優(yōu)良的綜合性能，被大家認為是最有應用前景的一種負極材料。然而，硬碳材料的價格非常貴，大約每噸20萬元，這樣的價格將阻礙鈉離子電池的應用?！?
胡勇勝帶領的團隊經(jīng)過研究，在鈉離子電池碳基負極材料上取得了突破，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。胡勇勝說：“裂解無煙煤得到的是一種軟碳材料，但不同于來自于瀝青的軟碳材料，在1600℃以下仍具有較高的無序度，產(chǎn)碳率高達90％，儲鈉容量達到220mAh/g，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。最重要的是在所有的碳基負極材料中具有最高的性價比。”
■性能指標突出
商業(yè)化的電池需要兼顧性能與成本，鈉離子電池的經(jīng)濟性相當出色。據(jù)了解，鈉離子電池正極材料來源于銅、鐵、錳，這些都不是貴金屬，價格遠低于鎳、鈷等材料。裂解無煙煤得到的軟碳材料解決了負極難題，無煙煤的價格不超過2000元/噸，也是便宜的材料。綜合起來，鈉離子電池的材料成本比鋰離子電池約低40％。
胡勇勝介紹，他們團隊研發(fā)的鈉離子電池經(jīng)過各項測試具有商業(yè)化應用前景。據(jù)了解，鈉離子電池的能量密度已達到120Wh/kg，工作溫度為-30℃～55℃，循環(huán)1300次后容量仍然超過80％。
除此之外，胡勇勝說，動力電池除了性能與成本之外，安全性是最關鍵的因素。鈉離子電池經(jīng)過安全性檢測，也達到了令人滿意的程度?！叭牧箱囯x子電池在針刺檢測時多會起火燃燒，而鈉離子電池在針刺時不冒煙、不起火、不爆炸。經(jīng)受短路、過充、過放、擠壓等檢測后，鈉離子電池也不起火燃燒?！彼f。
為了進一步說明鈉離子電池的安全性，胡勇勝向《中國汽車報》記者展示了檢測時的錄像。《中國汽車報》記者注意到，檢測人員把滿電態(tài)鈉離子電池包剪開來，放入水中，沒有出現(xiàn)劇烈的化學反應，水中緩慢地冒出氣泡，這說明鈉離子電池即便出現(xiàn)泄漏，也不會發(fā)生劇烈的化學反應，駕乘人員有足夠的時間逃脫。
除了安全性比鋰離子電池高之外，鈉離子電池還有一個特點：既有使用價值，也能保證使用中的安全性。胡勇勝說：“鋰離子電池不能過充過放，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?！?
針對過放的好處，胡勇勝介紹，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。但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)控也就變得相對簡單。此外，胡勇勝說：“鈉離子電池可以過放的特性還有利于安全運輸，不帶電運輸極大地降低發(fā)生事故的概率?！?
■給低速電動車帶來新選擇
據(jù)了解，胡勇勝團隊研發(fā)出的新一代鈉離子電池將首先應用在低速電動汽車上?！暗统杀锯c離子電池有望率先應用于低速電動車上，實現(xiàn)低速電動車的無鉛化?！焙聞僬f。
目前，我國低速電動車已成為一個龐大的產(chǎn)業(yè)，山東、河北、河南是低速電動車產(chǎn)銷大省，僅山東省2017年就生產(chǎn)75.6萬輛，同比增長21.4％。然而，低速電動車因使用鉛酸電池，在使用過程中造成大量污染。
為了治理低速電動車，有關部門出臺了“三個一”政策（升級一批、規(guī)范一批、淘汰一批）。然而，在升級的過程中，如果低速電動車使用鋰離子電池，成本將迅速提高從而失去競爭力，也因此，大多數(shù)低速電動車企業(yè)都不愿意放棄鉛酸電池。
鈉離子電池的誕生有望打破這一尷尬局面?！扳c離子電池的材料成本比鋰離子電池材料成本低約40％，改換電池后，低速電動車仍然有成本優(yōu)勢，與鋰離子電池電動車相比有較大的競爭優(yōu)勢，將有助于‘三個一’目標的實現(xiàn)?！焙聞僬f。
據(jù)了解，隨著技術的進一步發(fā)展，鈉離子電池還將推廣到通訊基站、家庭儲能、電網(wǎng)儲能等領域。目前，鈉離子電池項目獲得了天使輪投資，正在江蘇溧陽進行產(chǎn)品中試。胡勇勝說：“目前產(chǎn)品中試結(jié)果令人滿意，生產(chǎn)計劃正按步驟進行，今年秋季有望實現(xiàn)核心材料的規(guī)模生產(chǎn)和電芯試制?！?
高性能電極材料的開發(fā)對實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化應用至關重要，胡勇勝帶領的團隊率先取得鈉離子電池技術的突破，這在國際上也處于領先地位。未來，這一技術在低速電動汽車、規(guī)模儲能中將發(fā)揮積極作用，棄風、棄光而浪費的能源也有望得到充分利用。
