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钠离子电池:中国的机会

北极星储能网  来源:中科院物理所  作者:胡勇胜  2020/9/17 9:06:46  我要投稿  

北极星储能网讯:(来源:微信公众号“中科院物理所” 作者:胡勇胜 中国科学院物理研究所研究员)

二次电池与能源变革

自1800年意大利物理学家亚历山德罗•伏特发明了人类历史上的第一个电池——伏打电堆以来,电池这种能够提供持续而稳定电流的装置历经200余年的发展,不断满足人们对电力灵活运用的需求。近年来,随着对可再生能源利用的巨大需求和对环境污染问题的日益关注,二次电池(又称可充电电池或蓄电池)这种能够将其他形式能量转换成的电能预先以化学能的形式存储下来的储能技术,在新一轮能源变革中迎来新的发展机遇。

在众多二次电池中,锂离子电池率先把握住了这一重要发展机遇。二十世纪七十年代在欧洲开启研究,1991年在日本实现商业化,迅速获得市场的认可,成为“4C” 产品(即计算机、通讯、网络和消费电子)不可或缺的重要组件。近二十年来,又在各国政府的大力支持下,锂离子电池在新能源汽车领域的发展势头同样强劲,同时中关村储能产业技术联盟2019年统计数据显示在全球电化学规模储能示范项目中,锂离子电池的占比高达80%。目前,全球锂离子电池的生产制造规模达到了空前水平,2019年的诺贝尔化学奖给予了锂离子电池极高的肯定。

尽管如此,仅靠锂离子电池这一项储能技术并不能全面改变传统能源结构,受锂资源储量(~17ppm)和分布不均匀(~70%在南美洲)的限制(特别是我国目前80%锂资源依赖进口),锂离子电池难以同时支撑起电动汽车和电网储能两大产业的发展。因此,锂离子电池的替代或备选储能技术成为世界各国新能源技术竞争焦点,谁将成为继锂离子电池之后的另一储能技术新星备受瞩目。

钠离子电池:后起之秀

在此背景下,与锂离子电池具有相同工作原理和相似电池构件的钠离子电池再次受到关注。实际上,早在二十世纪七十年代末期钠离子电池几乎与锂离子电池同时开展研究,由于受当时研究条件的限制和研究者对锂离子电池研究的热情,钠离子电池的研究曾一度处于缓慢和停滞状态,直到2010年后钠离子电池才迎来它的发展转折与复兴,近十年来钠离子电池的研究更是取得了突飞猛进的发展。这离不开对锂离子电池研究经验的成功借鉴,更离不开对钠离子电池本征优势的不断探索。

随着研究的不断深入,研究者发现钠离子电池不仅具有钠资源储量丰富、分布广泛、成本低廉、无发展瓶颈、环境友好和兼容锂离子电池现有生产设备的优势,还具有较好的功率特性、宽温度范围适应性、安全性能和无过放电问题等优势(图1)。同时借助于正负极均可采用铝箔集流体构造双极性电池这一特点,可进一步提升钠离子电池的能量密度,使钠离子电池向着低成本、长寿命、高比能和高安全的方向迈进。

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图1 钠离子电池优势

经过世界各研究组的共同努力,钠离子电池在电极材料、电解质材料、表征分析、储钠机制探索和电芯技术等方面不断取得突破,钠离子电池相关文章的发表数量迅速增加,专利的申请数目逐年递增。2020年,美国能源部公布了对电池研究计划的布局,着力开展对动力电池和储能电池的基础研究与先进制造,在此计划中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” 项目公布了未来重点发展的电池体系,包括锂离子电池、非锂离子电池和未来新型电池,其中将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。欧盟“地平线2020研究和创新计划”更是将“钠离子材料作为制造用于非汽车应用耐久电池的核心组件”重点发展项目(资助800万欧元)。截至2020年,全球已约有二十多家企业致力于钠离子电池的研发,包括英国Faradion公司、法国Timat、日本岸田化学、美国Natron Energy等公司,以及我国的中科海钠、钠创新能源、星空钠电等公司,都在进行钠离子电池产业化的相关布局,并取得了重要进展。

由此可见,钠离子电池已成为世界各国竞相发展的储能技术。现在的问题是,在新一轮的电池技术角逐中,中国是否有机会率先在全球范围内实现钠离子电池的商业化?

我国的钠离子电池发展现状

从国家能源安全而言,我国的基本国情为钠离子电池在中国的产业化提供了肥沃土壤。从能源结构来看,我国是一个富煤、少气、缺油的国家,致使我国成为煤炭使用量世界第一,二氧化碳排放量世界第一,石油进口量世界第一和天然气进口量世界第一的国家。当前,世界政治、经济格局深刻调整,能源供求关系深刻变化,我国能源资源约束日益加剧,能源发展面临一系列新问题新挑战。如何降低我国对外进口依存度,降低二氧化碳排放量,提高能源安全保障,改善生态环境是亟待解决的重大问题。能源绿色低碳转型是我国可持续发展的必然选择,我国政府对储能技术的研究开发和应用推广给予了高度重视,已出台多项支持政策。2015年09月26日,国家主席习近平在联合国发展峰会,发表题为《谋共同永续发展 做合作共赢伙伴》的重要讲话并宣布“中国倡议构建全球能源互联网,推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求”。能源互联网是基于可再生能源的分布式、开放共享网络, 能源互联网的基础是储能。

面对如此庞大的需求,储能技术的发展迎来了不可忽视的机遇。钠离子电池技术在中国的商业化进程必将势不可挡,不仅能够在构建能源互联网中发挥重要作用,满足新能源领域低成本、长寿命和高安全性能等要求,还能够在一定程度上缓解由于锂资源短缺引发的储能电池发展受限问题,是锂离子电池的有益补充,同时可逐步替代环境污染严重的铅酸电池,推动我国清洁能源技术应用迈向新台阶,为我国能源安全和社会可持续发展提供保障。

从产业需求推动而言,我国的储能市场为钠离子电池在中国的产业化创造了必要条件。近年来,我国清洁能源产业不断发展壮大,产业规模和技术装备水平不断提升,为缓解能源资源约束和生态环境压力做出了突出贡献。但同时,清洁能源发展不平衡、不充分的矛盾也日益凸显,特别是清洁能源消纳问题突出,已严重制约电力行业健康可持续发展。中国科学院物理研究所陈立泉院士在最新召开的2020年储能国际峰会中多次倡导要大力发展储能技术,促电动中国,保能源安全。他对我国储能行业的现状做了详细分析,指出2018年全国数据中心共耗电1609亿度电,占中国全社会用电量的2.35%;2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度电;随着5G基站建设进程加快,我国至少需要新建或改造1438万个基站,存在155 GWh电池的容纳空间,对储能电池的需求必将大幅提升。面对巨大的储能市场,钠离子电池以其低成本、长寿命和高安全的诸多优势有望在低速电动车、电动船、数据中心、通讯基站、家庭/工业储能、可再生能源大规模接入和智能电网等多个领域快速发展(图2),提升我国在储能技术领域的竞争力与影响力。

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图2 钠离子电池潜在应用领域

从核心技术层面来看,我国的技术储备为钠离子电池在中国的产业化做好了充分准备。我国在钠离子电池的研发方面处于国际领先水平,在核心材料体系方面具有完全独立自主的知识产权,部分专利还获得了美国、日本和欧盟的授权。这预示着我国不仅不会在核心技术方面遭遇卡脖子的危险,而且还有机会为钠离子电池争取更大的海外市场。除了关键材料的研发,相关企业不断有序推进关键材料放大制备和生产、电芯设计和研制、模块化集成与管理,推动钠离子电池的商业化进程。其中,国内首家专注于钠离子电池研发的企业——中科海钠公布的数据显示,钠离子电芯能量密度已接近150 Wh/kg, 循环寿命达4000次以上,高低温性能优异、安全性高、具备快充能力;并于2018年6月,推出了全球首辆钠离子电池(72 V•80 Ah)驱动的低速电动车,并于2019年3月发布了世界首座30 kW/100 kWh钠离子电池储能电站,标志我国在钠离子电池的应用示范方面走在了世界前列。目前,我国在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用等方面的工作正在全面展开,为钠离子电池在中国的商业化奠定坚实的基础。

总之,在全球大规模储能产业快速发展的今天,特别是在众多电化学储能技术中,作为最接近锂离子电池技术的钠离子电池将凭借其独特的优势在储能领域拥有广阔的用武之地。我国钠离子电池在基础研究、技术水平和产业化推进速度方面都处于国际领先地位,已具备了先发优势。因此,无论从国家的政策扶持和市场引导等角度,还是企业自身技术发展和产业布局等角度,中国都有机会获得钠离子电池产业发展的主导权,引领钠离子电池技术与应用的发展趋势,率先在全球范围内实现钠离子电池的产业化和商业化应用。

原标题:钠离子电池:中国的机会

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