鈉離子電池是什么?市場上已經有鋰離子電池，鈉離子電池有競爭力嗎?
6月28日，全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統在山西太原正式投入運營，在儀式現場，記者向中科院物理所研究員、中科海鈉科技責任有限公司董事長胡勇勝提了這個問題，胡勇勝告訴記者，鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低，但是鈉離子電池的安全性、經濟性、工作溫度、循環周期等多項指標都優于鋰離子電池，更重要的是鈉離子電池不含貴金屬，破解了稀缺資源卡脖子難題。
石油卡脖子轉變為鋰資源卡脖子
隨著我國汽車產業的高速發展，工業生產和百姓生活對汽柴油的需求量越來越大。但是，我國的能源結構是缺油少氣，煤炭扮演著主要角色。中國工程院院士陳立泉說：“我國礦物能源的結構是煤炭占比為59%，石油為18.8%，天然氣為7.8%，總結起來就是六個字：富煤、少氣、缺油。”
為了滿足生產、生活的需求，我國不得不大量進口石油，以至于我國的石油對外依存度長期超過警戒線。今年“兩會”期間，全國政協委員，中國石化集團有限公司總經理、黨組副書記，中國工程院院士馬永生曾表示，2020年石油、天然氣對外依存度分別攀升到73%和43%。
國際公認的警戒線是60%，我國石油對外依存度長期高于警戒線，我國存在能源安全隱患。陳立泉院士列了一組數據讓人們對我國石油安全的隱患有了更清晰的認識。2018年，我國自產原油1.9億噸，進口原油4.6億噸，并且進口量還在不斷上升，2020年我國進口原油為5.42億噸。
發展電動汽車可以把我國交通運輸領域對汽柴油的需求轉換為對電力的需求，在一定程度上降低我國能源安全風險。動力電池是電動汽車最核心的部件，無論是磷酸鐵鋰還是三元鋰電池，都必須使用大量的鋰元素。
有資料顯示，按全球的供給量來看，澳洲鋰礦占50%，南美鹽湖占40%，中國的鹽湖和礦山共計10%。我國作為全球最大的電動汽車產銷國，對鋰資源有巨大的需求量，但是，南美洲的局勢變化莫測，給我國鋰資源進口蒙上一層陰影。近年來，我國與澳大利亞的關系持續緊張，鋰資源供應也存在很多變數。
鋰元素主要有兩種來源：鹽湖鋰和礦山鋰。鹽湖開采更為容易，成本低廉，目前在產的三大鹽湖：Atacama、Hombre Muerto和Olaroz，還有兩個在開發鹽湖Caui和Vida，均位于南美洲智利、阿根廷和玻利維亞的三國交接處。有地緣政治家曾表示，如果全世界的汽車都換成鋰電池，南美洲將成為新的中東。這句話意味深長。
我國不是鋰資源大國。美國地質調查局(USGS)的數據顯示，中國的鋰資源儲量僅占全球的20%，而智利的儲量占到全球一半，全球三分之二的鋰集中在南美。我國的鋰資源位于高海拔地區，開采條件非常艱難，也存在鎂鋰比很高，導致開采成本高的難題。這些困難促使國內鋰電池企業更愿意進口鋰資源。
2020年上半年，我國新能源汽車產銷突破了10%的重要節點，產銷進入加速增長期，對鋰資源的需求進一步增大。然而，鋰資源供應存在很多不確定性，我國存在鋰資源對外依存度過高的隱患。胡勇勝說：“隨著新能源汽車產銷量增長，我國有可能從石油卡脖子轉變為鋰資源卡脖子。”
陳立泉院士還提到，目前全球探明的可供開采的鋰資源儲量僅能滿足14.8億輛電動汽車。2020年，我國機動車保有量達3.72億輛，電動汽車汽車的占比還比較低，顯露不出鋰資源的巨大壓力，隨著保有量進一步攀升，鋰資源供應的隱患將凸顯。
三元電池在乘用車上使用量較大，并且超過磷酸鐵鋰電池，三元電池中含有鈷和鎳，這二種元素也是我國比較稀缺的資源。綜合來看，電動汽車產銷量越高，我國鋰、鈷、鎳的對外依存度都將不斷提高。
鈉電池破解稀缺資源卡脖子難題
我們經常聽到氫燃料電池、鋰電池，氫和鋰都位于元素周期表的第一列，記者注意到鈉元素也位于第一列，氫的原子量為1，鋰的原子量是7，鈉的原子量為23。胡勇勝告訴記者，如果只考慮能量密度，氫元素最高，但燃料電池的使用并沒有鋰電池廣泛，商業應用還要考慮安全性，經濟性，生產工藝等。鈉電池的能量密度比鋰電池低，但是，安全性，經濟性，生產工藝、環境友好等都比鋰電池有較高的優勢。
我國已制定一系列標準檢驗動力電池是否合格，擠壓、短路等都是檢測項目，鈉離子電池經受住了所有的考驗。胡勇勝告訴記者：“鈉離子電池已通過中汽中心的檢測，針刺時不冒煙、不起火、不爆炸，經受短路、過充、過放、擠壓等實驗，鈉離子電池也不起火燃燒。”
安全具有一票否決權，各國對鋰電池的使用安全極為重視，但全球鋰電池在使用過程中仍然發生多起起火事故，電動汽車起火已不計其數，儲能電站起火導致的事故比較嚴重，更加受到關注。據不完全統計，2011-2021年間，全球共發生32起儲能電站起火爆炸事故，其中，日本1起、美國2起、比利時1起、中國3起、韓國24起。這些起火爆炸的儲能電站全部使用鋰電池。
前不久公布的《新型儲能項目管理規范(暫行)》征求意見稿第十四條明確透露出原則上不再新建梯次利用儲能電站。有業內人士告訴記者，豐臺儲能電站起火事故讓決策層非常謹慎，這等于否定了動力電池在儲能上的梯次利用。
鋰電池還很驕貴，不能過充，也不能過放，這對BMS提出了較高的要求。以往我國發生的多起電動汽車起火事故，部分原因是電動汽車充滿之后沒有及時撥槍，導致過充。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，這有利于BMS調整電池的一致性。
據介紹，鋰電池使用一段時間之后，各個電芯充放電情況不同，導致出現各電芯容量不同的狀態，需要通過BMS進行調控才能確保一致性。如果鈉離子電池中的電芯出現容量差，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一致性的調控變得相對簡單。鈉離子電池可以過放的特性，在電池運輸上特別有用，不帶電運輸極大地降低發生事故的概率。
鈉離子電池中沒有貴重金屬，鈉元素也是大自然含量極其豐富的資源，這注定了鈉離子電池電池的成本比鋰電池低。陳立泉說：“鋰在地球中的占比僅為0.0065%，鈉為2.75%，地球中有豐富的鈉資源，海洋中就有大量的鈉鹽。資源秉性也注定了鈉離子的經濟性好于鋰離子。”
鈉離子電池的能量密度低于鋰電池，但功率密度、寬溫和循環壽命等方面也具有獨特的優勢。據介紹，鈉離子電池的能量密度已達到145Wh/kg，比磷酸鐵鋰的180 Wh/kg低一些，遠高于鉛酸電池的30 Wh/kg。鈉離子電池的工作溫度為-30℃～55℃，比磷酸鐵鋰優秀，循環4500次以上，這個成績高于磷酸鐵鋰。
十年磨一劍
胡勇勝不是第一位研究鈉離子電池的科學家，十年磨一劍，胡勇勝帶領的團隊專注于此，最早拿出科研成果走向商業化。6月28日，全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統在山西太原正式投入運營，這標志著我國鈉離子電池儲能在世界上取得領先地位。山西太原正式投入運行的儲能系統也將為制定鈉離子電池儲能的國際標準積累經驗和數據。
胡勇勝下決心研究鈉離子電池的時候，關注過國外同行的研究情況，他發現，國外同行在研究鈉離子電池時受鋰離子電池的影響太大，正極材料使用鎳、鈷、錳，這種做法沒有前途，如果僅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，重量也比鋰電池重，這注定鈉電池沒有明顯的優勢。
胡勇勝通過研究發現銅在鈉離子電池中不但具有活性，而且銅的成本比鈷和鎳都低，既有活性成本又低，這恰恰是胡勇勝不斷尋求的替代材料，經過不斷摸索，胡勇勝帶領團隊最終成功研制出Cu基鈉離子層狀氧化物正級材料。
解決了正極材料還不算成功，負極材料的難關也要攻克。鋰電池普遍采用石墨作為負極材料，但胡勇勝研發的鈉離子電池使用了更便宜的軟碳材料。據介紹，鈉離子電池用成本更加低廉的無煙煤作為前驅體，通過簡單的粉碎和一步碳化得到了一種具有優異儲鈉性能的碳負極材料。
胡勇勝告訴記者，這輩子就干這一件事，為新能源產業做一點微薄的貢獻。全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統投入運行之后，一條2000噸的材料生產線正在建設之中。胡勇勝的團隊能夠邁出鈉離子電池商業化步伐，利益于前幾年在江蘇溧陽建設了一條試驗線，積累了一定的經驗。
全球首套1MWh鈉離子電池儲能系統正式投入運行，將有力地推動我國新能源產業快步向前，更重要的是鈉離子電池破解了稀缺資源卡脖子難題。(萬仁美)
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