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钠离子电池有备而来

作者:中国储能电站网 来源:中国汽车报 时间:2018-07-10 浏览:

中国储能电站网讯:在元素周期表中,氢、锂、钠、钾元素排在第一列。研究电池的科学家们把目光也都聚焦在了这里,先后研发出氢燃料电池、锂离子电池、钠离子电池,少数科学家也在研究钾离子电池。相对而言,氢燃料电池是一种发电装置,碱金属电池(锂/钠金属电池)才是一次可充放的二次电池。不过,在电池研发过程中,锂离子电池渐成主流,钠离子电池却鲜有人知。

最近,钠离子电池又重新回归人们的视野。前不久,中国科学院物理研究所研究员胡勇胜带领的团队在钠离子电池研究上取得突破性进展,目前科研成果正在转化为产业实际应用,已在江苏溧阳进行了产品中试。

与锂离子电池同时起步的钠离子电池为何归于落寞?重新出发的钠离子电池有哪些优势,今后又将会如何发展?对此,《中国汽车报》记者日前独家专访了胡勇胜。

■钠离子电池经济价值高

据了解,氢燃料电池、锂离子电池、钠离子电池几乎是同时起步。在上世纪70年代的石油危机中,3种电池技术几乎同时受到科学家们的高度重视,但随着石油危机的缓解,3种电池技术研究又都被放缓。直到1990年索尼率先在锂电池技术上取得突破,锂离子电池重新风行天下。

胡勇胜说:“就材料特性而言,锂是最好的电池材料,正因为如此,大多数研究人员把目光投向了锂元素。”

相对而言,钠元素有明显的缺陷。金属锂的原子量为7,钠的原子量为23,钠原子比锂原子重3倍多,这注定了钠离子电池的重量能量密度不及锂离子电池。此外,钠离子的半径也比锂离子大很多,在体积能量密度上也不及锂离子电池。

材料特性似乎判了钠离子电池的“死刑”。然而,商业化不能仅考虑能量密度,还需要考虑安全性、经济性等因素。胡勇胜告诉记者,钠元素来源广泛,有着很高的经济价值,钠离子电池的安全性也优于锂离子电池,这是钠离子电池依然被看好的主要原因。

此外,锂元素不仅应用在新能源电池上,也应用在玻璃、医药、陶瓷、核工业等领域,这就导致对锂资源的需求量巨大。据了解,仅就消费类电池、动力电池和储能来看,锂资源也难以同时支撑。美国地质局的数据显示,2015年全球已探明锂资源量为3950万吨(中国为540万吨),可供开采的锂资源为1350万吨,如果以特斯拉80kWh电池组用量计算,可开采的锂资源仅能满足约15亿辆汽车的需求。“目前,全球汽车保有量约为12亿辆。如果再加上风电、光伏储能等的需求量,很显然,锂资源将会成为新能源汽车发展的制约因素。”胡勇胜说。

胡勇胜告诉记者,钠资源非常丰富,海水中有取之不尽的钠元素,我们日常的食盐中也含有大量的钠元素,钠离子电池的经济性明显优于锂离子电池。

■技术壁垒被打破

钠离子电池一直没受到重视关键还在于技术的壁垒。胡勇胜说,钠离子电池的原理与锂离子电池是一样的,在钠离子电池研发中,国外有些研究人员沿用了锂电池三元材料的思路,正极材料使用镍、钴、锰。对于这一做法,胡勇胜并不看好。“如果仅把目前锂离子电池体系的锂元素替换成钠元素,钠离子电池的成本只能比锂离子电池成本降低5%~10%,而钠离子电池的能量密度比锂离子电池低,这就没有商业化前景了。”胡勇胜说。

基于以上分析,胡勇胜的团队另辟蹊径,发现过渡金属铜(Cu)元素在钠离子电池层状材料中可以实现Cu3+/Cu2+氧化还原电对的可逆转变。在此基础上,团队进一步研究发现可以利用成本更加低廉的过渡金属铁(Fe)元素替换部分Cu和锰(Mn)元素,得到了电化学性能优异的材料。胡勇胜说:“该材料的最大优点是在电化学脱嵌钠过程中结构保持不变,体积变化不到5%。在充放电过程中,较小的体积变化有利于实现长循环性能。”

正极材料的问题解决了,负极材料的问题依然存在。胡勇胜告诉记者,目前,石墨作为负极材料,以优良的导电性能广泛应用于三元材料电池之中。他介绍,石墨是规范的有序结构,储存锂离子能力较强,但储存钠离子能力较弱,这限制了钠离子电池发展。此外,胡勇胜说:“高度无序的硬碳材料有高比容量和长循环寿命等优良的综合性能,被大家认为是最有应用前景的一种负极材料。然而,硬碳材料的价格非常贵,大约每吨20万元,这样的价格将阻碍钠离子电池的应用。”

胡勇胜带领的团队经过研究,在钠离子电池碳基负极材料上取得了突破,用成本更加低廉的无烟煤作为前驱体,通过简单的粉碎和一步碳化得到了一种具有优异储钠性能的碳负极材料。胡勇胜说:“裂解无烟煤得到的是一种软碳材料,但不同于来自于沥青的软碳材料,在1600℃以下仍具有较高的无序度,产碳率高达90%,储钠容量达到220mAh/g,循环稳定性优异。最重要的是在所有的碳基负极材料中具有最高的性价比。”

■性能指标突出

商业化的电池需要兼顾性能与成本,钠离子电池的经济性相当出色。据了解,钠离子电池正极材料来源于铜、铁、锰,这些都不是贵金属,价格远低于镍、钴等材料。裂解无烟煤得到的软碳材料解决了负极难题,无烟煤的价格不超过2000元/吨,也是便宜的材料。综合起来,钠离子电池的材料成本比锂离子电池约低40%。

胡勇胜介绍,他们团队研发的钠离子电池经过各项测试具有商业化应用前景。据了解,钠离子电池的能量密度已达到120Wh/kg,工作温度为-30℃~55℃,循环1300次后容量仍然超过80%。

除此之外,胡勇胜说,动力电池除了性能与成本之外,安全性是最关键的因素。钠离子电池经过安全性检测,也达到了令人满意的程度。“三元材料锂离子电池在针刺检测时多会起火燃烧,而钠离子电池在针刺时不冒烟、不起火、不爆炸。经受短路、过充、过放、挤压等检测后,钠离子电池也不起火燃烧。”他说。

为了进一步说明钠离子电池的安全性,胡勇胜向《中国汽车报》记者展示了检测时的录像。《中国汽车报》记者注意到,检测人员把满电态钠离子电池包剪开来,放入水中,没有出现剧烈的化学反应,水中缓慢地冒出气泡,这说明钠离子电池即便出现泄漏,也不会发生剧烈的化学反应,驾乘人员有足够的时间逃脱。

除了安全性比锂离子电池高之外,钠离子电池还有一个特点:既有使用价值,也能保证使用中的安全性。胡勇胜说:“锂离子电池不能过充过放,钠离子电池也不能过充,但可以过放,即把电池中的电量全部放完。”

针对过放的好处,胡勇胜介绍,锂电池使用一段时间之后,各个电芯充放电情况不同,导致出现各电芯容量不同的状态,需要通过BMS进行调控才能确保一致性。但如果钠离子电池中的电芯出现容量差,可以把整个电池包的电量放完,让所有的电芯归零后处于同一水平,BMS一致性的调控也就变得相对简单。此外,胡勇胜说:“钠离子电池可以过放的特性还有利于安全运输,不带电运输极大地降低发生事故的概率。”

■给低速电动车带来新选择

据了解,胡勇胜团队研发出的新一代钠离子电池将首先应用在低速电动汽车上。“低成本钠离子电池有望率先应用于低速电动车上,实现低速电动车的无铅化。”胡勇胜说。

目前,我国低速电动车已成为一个庞大的产业,山东、河北、河南是低速电动车产销大省,仅山东省2017年就生产75.6万辆,同比增长21.4%。然而,低速电动车因使用铅酸电池,在使用过程中造成大量污染。

为了治理低速电动车,有关部门出台了“三个一”政策(升级一批、规范一批、淘汰一批)。然而,在升级的过程中,如果低速电动车使用锂离子电池,成本将迅速提高从而失去竞争力,也因此,大多数低速电动车企业都不愿意放弃铅酸电池。

钠离子电池的诞生有望打破这一尴尬局面。“钠离子电池的材料成本比锂离子电池材料成本低约40%,改换电池后,低速电动车仍然有成本优势,与锂离子电池电动车相比有较大的竞争优势,将有助于‘三个一’目标的实现。”胡勇胜说。

据了解,随着技术的进一步发展,钠离子电池还将推广到通讯基站、家庭储能、电网储能等领域。目前,钠离子电池项目获得了天使轮投资,正在江苏溧阳进行产品中试。胡勇胜说:“目前产品中试结果令人满意,生产计划正按步骤进行,今年秋季有望实现核心材料的规模生产和电芯试制。”

高性能电极材料的开发对实现钠离子电池的商业化应用至关重要,胡勇胜带领的团队率先取得钠离子电池技术的突破,这在国际上也处于领先地位。未来,这一技术在低速电动汽车、规模储能中将发挥积极作用,弃风、弃光而浪费的能源也有望得到充分利用。

关键字:钠离子电池

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