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執(zhí)著“鈉”十年 鈉離子電池迎來“破曉”

時間:2020-10-26 10:14來源:中國科學(xué)報(bào) 作者:田瑞穎
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       “如果失敗了呢？”
 
       “成與不成，這輩子只干這一件事。”
 
       當(dāng)眾多人聚焦鋰離子電池的時候，他把目光轉(zhuǎn)向了“冷門”的鈉離子電池，這“一眼”就是10年，也是這“一眼”打開了鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的大門。此時的胡勇勝，不僅是中國科學(xué)院物理研究所研究員，還是中科海鈉的創(chuàng)始人。
 
       不久前，中科海鈉生產(chǎn)的全球首款具備自主知識產(chǎn)權(quán)的鈉離子電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前電芯產(chǎn)能可達(dá)30萬只/月。
全球首輛鈉離子電池低速電動車亮相中科院物理所九十周年所慶 胡勇勝供圖
 
       從“一枝獨(dú)秀”到“珠聯(lián)璧合”
 
       歷經(jīng)200余年的電池在新一輪能源革命中迎來“大浪淘沙”。二十世紀(jì)九十年代，在眾多二次電池中，鋰離子電池率先抓住機(jī)遇強(qiáng)勁發(fā)展。
 
       據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：在全球電化學(xué)規(guī)模儲能示范項(xiàng)目中，鋰離子電池的占比高達(dá)80%。
 
       然而鋰離子電池卻面臨無法回避的“天花板”。“在二次電池中，鋰離子電池的性能雖是最好，但鋰資源的儲量有限，且70%分布在南美洲，而目前我國80%鋰資源依賴進(jìn)口。鋰離子電池難以兼顧電動汽車和電網(wǎng)儲能兩大產(chǎn)業(yè)。”胡勇勝告訴《中國科學(xué)報(bào)》。
 
       “一枝獨(dú)秀”的鋰離子電池已無法全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，“百花齊放”的二次電池中，替代或補(bǔ)充鋰離子電池的儲能技術(shù)成為國際新能源技術(shù)的競爭熱點(diǎn)。
 
       不僅如此，曾經(jīng)的“主力隊(duì)員”鉛酸電池因其不可避免的環(huán)境污染及無法滿足新國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)面臨“退役”問題，2019年4 月，《電動自行車安全技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動自行車的整車質(zhì)量（含電池）不高于55kg，但目前市場上鉛酸電池電動自行車重量普遍超70kg。
 
       “目前碳酸鋰大概4萬元/噸，如果用鋰離子電池替代鉛酸電池，電動自行車的成本將大幅上漲。而碳酸鈉平均僅有2千元/噸，用鈉離子電池替代鉛酸電池的優(yōu)勢顯而易見。”胡勇勝告訴記者。
 
       在胡勇勝看來，鈉離子電池具備低成本、長壽命和高安全性能等優(yōu)勢，不僅能在一定程度上成為鋰離子電池的補(bǔ)充，緩解鋰資源短缺的問題，還能逐步替代環(huán)境污染嚴(yán)重的鉛酸電池，保證國家能源安全和社會可持續(xù)發(fā)展。
 
       值得一提的是，鈉離子電池巨大的儲能市場還包括光伏、風(fēng)能等新能源接入儲存系統(tǒng)。據(jù)了解，2018年我國棄光、棄風(fēng)、棄水電量共計(jì)1022億度電。胡勇勝指出：“儲能是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，鈉離子電池因其成本及資源優(yōu)勢將在大規(guī)模儲能市場中大有作為。”
 
       “此外，鈉離子電池憑借其諸多優(yōu)勢還有望在低速電動車、電動船、數(shù)據(jù)中心、通訊基站、家庭/工業(yè)儲能領(lǐng)域快速發(fā)展。”胡勇勝表示。
鈉離子電池電動自行車在中科院物理所開展內(nèi)部測試 胡勇勝供圖
中科院物理所和中科海鈉設(shè)計(jì)制造的全球首輛鈉離子電池低速電動車 胡勇勝供圖
       “要做用戶最需要的”
 
       近年來，國際領(lǐng)域紛紛加碼鈉離子電池研發(fā)。2020年，美國能源部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(jì)劃“電池2030”項(xiàng)目將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。
 
       實(shí)際上，在胡勇勝團(tuán)隊(duì)開展鈉離子電池研究時，雖然鈉離子電池不是熱門領(lǐng)域，但已有其他團(tuán)隊(duì)在研究，但胡勇勝給自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用戶最需要的鈉離子電池”的目標(biāo)。
 
       “我們要做老百姓能買得起的低成本、高安全的電池。”為此，降低電池正負(fù)極材料成本成為胡勇勝團(tuán)隊(duì)首先思考的重要課題。實(shí)際上，目前鋰離子電池常用的活性元素是Ni和Co，但成本較高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢？通過不斷的研究，胡勇勝團(tuán)隊(duì)驚喜地發(fā)現(xiàn)Cu在鈉離子電池中不但具有活性，而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2，正是替代Ni和Co的“完美”元素，經(jīng)過多年的探索，胡勇勝團(tuán)隊(duì)最終成功研制出Cu基鈉離子層狀氧化物正級材料。
 
       挑戰(zhàn)接踵而至，能否降低鈉離子電池負(fù)極材料成本呢？“當(dāng)時，石墨作為成熟的鋰離子電池負(fù)極材料卻幾乎不具備儲鈉能力；無定形硬碳是眾多研究的焦點(diǎn)，但價(jià)格較高。通過對碳源前驅(qū)體進(jìn)行調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)無煙煤的成本平均1800元/噸，如果用無煙煤制備無定形碳負(fù)極材料將有利于大幅降低電池成本�；谶@樣的考慮，我們立即開始實(shí)驗(yàn)，最終研制出了無煙煤基鈉離子電池負(fù)極材料。”胡勇勝回憶道。
 
       在團(tuán)隊(duì)成員、中科院物理所副研究員陸雅翔看來，成功降低鈉離子電池成本的關(guān)鍵在于敢于另辟蹊徑、大膽創(chuàng)新。“在當(dāng)時，國內(nèi)外對鈉離子電池的研究主要集中于借鑒鋰離子電池的研發(fā)思路，所以遲遲沒有突破性的進(jìn)展，我們沒有跟隨大家的腳步，而是另辟蹊徑，大膽嘗試，挑戰(zhàn)別人忽視的、認(rèn)為不可能的道路。”
 
       在攻克鈉離子電池正負(fù)極材料成本問題后，胡勇勝團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深入挖掘鈉離子電池的其他優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)鈉離子電池不僅擁有更好的安全性，在遇到零下40度的低溫時，鈉離子電池汽車還能釋放80%的電量，比鋰離子電池汽車更加“耐寒”。“此外，鈉離子電池汽車充電速度更快，僅需20分鐘，接下來將挑戰(zhàn)10分鐘的充電速度。”胡勇勝告訴記者。
 
       對于電池制備而言，建立完整的生產(chǎn)線不僅重要而且投資巨大，值得一提的是，鈉離子電池可以直接使用鋰離子電池的生產(chǎn)線，無需重建。“不久前，我們使用鋰離子電池生產(chǎn)線生產(chǎn)了8萬支鈉離子電池。正因?yàn)榭梢灾苯邮褂娩囯x子電池的生產(chǎn)線，鈉離子電池市場化的速度將更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我們也無比感激。“胡勇勝表示。
 
       目前，胡勇勝團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池正負(fù)極材料、電解液等關(guān)鍵材料體系和電芯制造、裝配工藝等工程技術(shù)上都已具備完全自主研發(fā)能力，產(chǎn)品核心專利已獲得中國、美國、歐盟等多個國家和地區(qū)的授權(quán)。
中科院物理所和中科海鈉設(shè)計(jì)制造的全球首座百千瓦時鈉離子電池儲能電站 胡勇勝供圖
 
       眼前有產(chǎn)業(yè) 腳下有科研
 
       實(shí)際上，胡勇勝與物理所的緣分已有20年。2001年，胡勇勝便來到物理所攻讀博士學(xué)位，師從陳立泉院士，也正是這一份師生誼改變了胡勇勝未來的職業(yè)生涯。
 
       博士畢業(yè)后，胡勇勝先后到德國和美國進(jìn)修，就在完成學(xué)業(yè)之時，陳立泉聯(lián)系胡勇勝，希望他能回到物理所工作。
 
       “我毫不猶豫地就回來了，因?yàn)槲业膶?dǎo)師和團(tuán)隊(duì)凝聚力。陳老師始終心系國家能源安全，從長遠(yuǎn)出發(fā)推動電動中國夢想的實(shí)現(xiàn)，不畏困難，敢于挑戰(zhàn)，這種家國情懷和科研精神令我敬佩。此外，陳老師滿心栽培學(xué)生，他帶領(lǐng)下的團(tuán)隊(duì)有激情、有夢想、有情懷，我非常喜歡團(tuán)隊(duì)的科研氛圍。”胡勇勝回憶道。
 
       在當(dāng)時，團(tuán)隊(duì)成員都為自己設(shè)定了研究方向和目標(biāo)，“做用戶最需要的鈉離子電池，這輩子只做這一件事”正是胡勇勝為自己定的目標(biāo)。
 
       “當(dāng)時國內(nèi)的科研條件隨著國家的發(fā)展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平臺和轉(zhuǎn)化平臺，作為科研人員，如果我們還不能做出點(diǎn)成績，就真的太對不起國家，對不起老師了。”胡勇勝坦言，“實(shí)際上，我也想過可能失敗，但如果大家都在觀望一個領(lǐng)域時，它可能是機(jī)遇，如果大家都已經(jīng)開始做了，可能它就不再是機(jī)會了。”
 
       樹立目標(biāo)容易，將目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)并非易事。付諸實(shí)踐的頭幾年，是胡勇勝最困難也最難忘的時光。“由于國際上關(guān)于鈉離子電池的研發(fā)并沒有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，很多要從零開始。那些年，我們每天都在挖空心思地研究鈉離子電池技術(shù)，’早晨捧著希望來，晚上帶著失望歸是常態(tài)，那是研發(fā)最困苦的時期，也是我最安靜思考且難忘的時光，這為鈉離子電池成功研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”胡勇勝回憶時感慨道。
 
       在胡勇勝看來，產(chǎn)業(yè)化與做科研完全不同，“基礎(chǔ)研究強(qiáng)調(diào)前沿性，而產(chǎn)業(yè)化要做以用戶為導(dǎo)向和市場需要的產(chǎn)品，不能為了新而新。此外，實(shí)驗(yàn)室研究階段很多問題是看不見的，而當(dāng)進(jìn)入工程化階段后，要保證產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性是很有挑戰(zhàn)的事情。”
 
       酒香也怕巷子深，尋找投資人和合作者，為科研成果注入轉(zhuǎn)化資本，是每個科研成果轉(zhuǎn)化征程中的必經(jīng)且不易之路。產(chǎn)業(yè)化初期，出差作報(bào)告、談合作、找廠家是胡勇勝的常態(tài)，為此他幽默地說道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”
 
       在陸雅翔看來，不管再忙，胡勇勝都會“擠”時間思考電池的技術(shù)研究，跟團(tuán)隊(duì)探討靈感和難點(diǎn)，“胡老師總有用不完的精力，即使再忙他都會利用零碎的時間閱讀最新文獻(xiàn)，關(guān)注科研最新動態(tài)，思考問題的解決方案，這種勤奮和科研熱情也激勵著團(tuán)隊(duì)。”
 
       隨著鈉離子電池產(chǎn)品的優(yōu)越性能和低廉成本逐漸被國內(nèi)外所認(rèn)可，胡勇勝也從最初的主動找合作，轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹碓降暮献?ldquo;找上門”，產(chǎn)業(yè)化的“羊腸小道”逐漸走成了“康莊大道”。
 
       十年磨一劍，今年，是胡勇勝團(tuán)隊(duì)深耕鈉離子電池的第10年，也是中科海鈉市場化的“破曉”之刻，他對未來充滿了期待，期待鈉離子電池走進(jìn)尋常百姓家，期待鈉離子電池成為守護(hù)國家能源安全的“主力軍”，“但科研是產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化的同時，還必須潛心科研，為鈉離子電池實(shí)現(xiàn)充電更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未來夯實(shí)基礎(chǔ)。“
 
       “高山仰止，景行行止，雖不能至，然心向往之。“胡勇勝感慨道。
 
(責(zé)任編輯：子蕊)
文章標(biāo)簽： 鈉離子電池 中科海鈉 鈉
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