二次電池與能源變革

自1800年意大利物理學(xué)家亞歷山德羅•伏特發(fā)明了人類歷史上的第一個(gè)電池——伏打電堆以來(lái)，電池這種能夠提供持續(xù)而穩(wěn)定電流的裝置歷經(jīng)200余年的發(fā)展，不斷滿足人們對(duì)電力靈活運(yùn)用的需求。近年來(lái)，隨著對(duì)可再生能源利用的巨大需求和對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的日益關(guān)注，二次電池(又稱可充電電池或蓄電池)這種能夠?qū)⑵渌问侥芰哭D(zhuǎn)換成的電能預(yù)先以化學(xué)能的形式存儲(chǔ)下來(lái)的儲(chǔ)能技術(shù)，在新一輪能源變革中迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

在眾多二次電池中，鋰離子電池率先把握住了這一重要發(fā)展機(jī)遇。二十世紀(jì)七十年代在歐洲開(kāi)啟研究，1991年在日本實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，迅速獲得市場(chǎng)的認(rèn)可，成為“4C” 產(chǎn)品(即計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子)不可或缺的重要組件。近二十年來(lái)，又在各國(guó)政府的大力支持下，鋰離子電池在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展勢(shì)頭同樣強(qiáng)勁，同時(shí)中關(guān)村儲(chǔ)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(chǔ)能示范項(xiàng)目中，鋰離子電池的占比高達(dá)80%。目前，全球鋰離子電池的生產(chǎn)制造規(guī)模達(dá)到了空前水平，2019年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)給予了鋰離子電池極高的肯定。

盡管如此，僅靠鋰離子電池這一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)并不能全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，受鋰資源儲(chǔ)量(~17ppm)和分布不均勻(~70%在南美洲)的限制(特別是我國(guó)目前80%鋰資源依賴進(jìn)口)，鋰離子電池難以同時(shí)支撐起電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，鋰離子電池的替代或備選儲(chǔ)能技術(shù)成為世界各國(guó)新能源技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)，誰(shuí)將成為繼鋰離子電池之后的另一儲(chǔ)能技術(shù)新星備受矚目。

鈉離子電池：后起之秀

在此背景下，與鋰離子電池具有相同工作原理和相似電池構(gòu)件的鈉離子電池再次受到關(guān)注。實(shí)際上，早在二十世紀(jì)七十年代末期鈉離子電池幾乎與鋰離子電池同時(shí)開(kāi)展研究，由于受當(dāng)時(shí)研究條件的限制和研究者對(duì)鋰離子電池研究的熱情，鈉離子電池的研究曾一度處于緩慢和停滯狀態(tài)，直到2010年后鈉離子電池才迎來(lái)它的發(fā)展轉(zhuǎn)折與復(fù)興，近十年來(lái)鈉離子電池的研究更是取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。這離不開(kāi)對(duì)鋰離子電池研究經(jīng)驗(yàn)的成功借鑒，更離不開(kāi)對(duì)鈉離子電池本征優(yōu)勢(shì)的不斷探索。

隨著研究的不斷深入，研究者發(fā)現(xiàn)鈉離子電池不僅具有鈉資源儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、成本低廉、無(wú)發(fā)展瓶頸、環(huán)境友好和兼容鋰離子電池現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應(yīng)性、安全性能和無(wú)過(guò)放電問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)(圖1)。同時(shí)借助于正負(fù)極均可采用鋁箔集流體構(gòu)造雙極性電池這一特點(diǎn)，可進(jìn)一步提升鈉離子電池的能量密度，使鈉離子電池向著低成本、長(zhǎng)壽命、高比能和高安全的方向邁進(jìn)。

經(jīng)過(guò)世界各研究組的共同努力，鈉離子電池在電極材料、電解質(zhì)材料、表征分析、儲(chǔ)鈉機(jī)制探索和電芯技術(shù)等方面不斷取得突破，鈉離子電池相關(guān)文章的發(fā)表數(shù)量迅速增加，專利的申請(qǐng)數(shù)目逐年遞增。2020年，美國(guó)能源部公布了對(duì)電池研究計(jì)劃的布局，著力開(kāi)展對(duì)動(dòng)力電池和儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)研究與先進(jìn)制造，在此計(jì)劃中明確將鈉離子電池作為儲(chǔ)能電池的發(fā)展體系。歐盟儲(chǔ)能計(jì)劃 “電池2030” 項(xiàng)目公布了未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的電池體系，包括鋰離子電池、非鋰離子電池和未來(lái)新型電池，其中將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。歐盟“地平線2020研究和創(chuàng)新計(jì)劃”更是將“鈉離子材料作為制造用于非汽車應(yīng)用耐久電池的核心組件”重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目(資助800萬(wàn)歐元)。截至2020年，全球已約有二十多家企業(yè)致力于鈉離子電池的研發(fā)，包括英國(guó)Faradion公司、法國(guó)Timat、日本岸田化學(xué)、美國(guó)Natron Energy等公司，以及我國(guó)的中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、星空鈉電等公司，都在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展。

由此可見(jiàn)，鈉離子電池已成為世界各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)?，F(xiàn)在的問(wèn)題是，在新一輪的電池技術(shù)角逐中，中國(guó)是否有機(jī)會(huì)率先在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化?

我國(guó)的鈉離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

從國(guó)家能源安全而言，我國(guó)的基本國(guó)情為鈉離子電池在中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化提供了肥沃土壤。從能源結(jié)構(gòu)來(lái)看，我國(guó)是一個(gè)富煤、少氣、缺油的國(guó)家，致使我國(guó)成為煤炭使用量世界第一，二氧化碳排放量世界第一，石油進(jìn)口量世界第一和天然氣進(jìn)口量世界第一的國(guó)家。當(dāng)前，世界政治、經(jīng)濟(jì)格局深刻調(diào)整，能源供求關(guān)系深刻變化，我國(guó)能源資源約束日益加劇，能源發(fā)展面臨一系列新問(wèn)題新挑戰(zhàn)。如何降低我國(guó)對(duì)外進(jìn)口依存度，降低二氧化碳排放量，提高能源安全保障，改善生態(tài)環(huán)境是亟待解決的重大問(wèn)題。能源綠色低碳轉(zhuǎn)型是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，我國(guó)政府對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用推廣給予了高度重視，已出臺(tái)多項(xiàng)支持政策。2015年09月26日，國(guó)家主席習(xí)近平在聯(lián)合國(guó)發(fā)展峰會(huì)，發(fā)表題為《謀共同永續(xù)發(fā)展 做合作共贏伙伴》的重要講話并宣布“中國(guó)倡議構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)以清潔和綠色方式滿足全球電力需求”。能源互聯(lián)網(wǎng)是基于可再生能源的分布式、開(kāi)放共享網(wǎng)絡(luò), 能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是儲(chǔ)能。

面對(duì)如此龐大的需求，儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展迎來(lái)了不可忽視的機(jī)遇。鈉離子電池技術(shù)在中國(guó)的商業(yè)化進(jìn)程必將勢(shì)不可擋，不僅能夠在構(gòu)建能源互聯(lián)網(wǎng)中發(fā)揮重要作用，滿足新能源領(lǐng)域低成本、長(zhǎng)壽命和高安全性能等要求，還能夠在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲(chǔ)能電池發(fā)展受限問(wèn)題，是鋰離子電池的有益補(bǔ)充，同時(shí)可逐步替代環(huán)境污染嚴(yán)重的鉛酸電池，推動(dòng)我國(guó)清潔能源技術(shù)應(yīng)用邁向新臺(tái)階，為我國(guó)能源安全和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供保障。

從產(chǎn)業(yè)需求推動(dòng)而言，我國(guó)的儲(chǔ)能市場(chǎng)為鈉離子電池在中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了必要條件。近年來(lái)，我國(guó)清潔能源產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展壯大，產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)裝備水平不斷提升，為緩解能源資源約束和生態(tài)環(huán)境壓力做出了突出貢獻(xiàn)。但同時(shí)，清潔能源發(fā)展不平衡、不充分的矛盾也日益凸顯，特別是清潔能源消納問(wèn)題突出，已嚴(yán)重制約電力行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。中國(guó)科學(xué)院物理研究所陳立泉院士在最新召開(kāi)的2020年儲(chǔ)能國(guó)際峰會(huì)中多次倡導(dǎo)要大力發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，促電動(dòng)中國(guó)，保能源安全。他對(duì)我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)的現(xiàn)狀做了詳細(xì)分析，指出2018年全國(guó)數(shù)據(jù)中心共耗電1609億度電，占中國(guó)全社會(huì)用電量的2.35%;2018年我國(guó)棄光、棄風(fēng)、棄水電量共計(jì)1022億度電;隨著5G基站建設(shè)進(jìn)程加快，我國(guó)至少需要新建或改造1438萬(wàn)個(gè)基站，存在155 GWh電池的容納空間，對(duì)儲(chǔ)能電池的需求必將大幅提升。面對(duì)巨大的儲(chǔ)能市場(chǎng)，鈉離子電池以其低成本、長(zhǎng)壽命和高安全的諸多優(yōu)勢(shì)有望在低速電動(dòng)車、電動(dòng)船、數(shù)據(jù)中心、通訊基站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)能、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網(wǎng)等多個(gè)領(lǐng)域快速發(fā)展(圖2)，提升我國(guó)在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力與影響力。

從核心技術(shù)層面來(lái)看，我國(guó)的技術(shù)儲(chǔ)備為鈉離子電池在中國(guó)的產(chǎn)業(yè)化做好了充分準(zhǔn)備。我國(guó)在鈉離子電池的研發(fā)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平，在核心材料體系方面具有完全獨(dú)立自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，部分專利還獲得了美國(guó)、日本和歐盟的授權(quán)。這預(yù)示著我國(guó)不僅不會(huì)在核心技術(shù)方面遭遇卡脖子的危險(xiǎn)，而且還有機(jī)會(huì)為鈉離子電池爭(zhēng)取更大的海外市場(chǎng)。除了關(guān)鍵材料的研發(fā)，相關(guān)企業(yè)不斷有序推進(jìn)關(guān)鍵材料放大制備和生產(chǎn)、電芯設(shè)計(jì)和研制、模塊化集成與管理，推動(dòng)鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程。其中，國(guó)內(nèi)首家專注于鈉離子電池研發(fā)的企業(yè)——中科海鈉公布的數(shù)據(jù)顯示，鈉離子電芯能量密度已接近150 Wh/kg, 循環(huán)壽命達(dá)4000次以上，高低溫性能優(yōu)異、安全性高、具備快充能力;并于2018年6月，推出了全球首輛鈉離子電池(72 V•80 Ah)驅(qū)動(dòng)的低速電動(dòng)車，并于2019年3月發(fā)布了世界首座30 kW/100 kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站，標(biāo)志我國(guó)在鈉離子電池的應(yīng)用示范方面走在了世界前列。目前，我國(guó)在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)制造、標(biāo)準(zhǔn)制定以及市場(chǎng)推廣應(yīng)用等方面的工作正在全面展開(kāi)，為鈉離子電池在中國(guó)的商業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

總之，在全球大規(guī)模儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，特別是在眾多電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，作為最接近鋰離子電池技術(shù)的鈉離子電池將憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在儲(chǔ)能領(lǐng)域擁有廣闊的用武之地。我國(guó)鈉離子電池在基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度方面都處于國(guó)際領(lǐng)先地位，已具備了先發(fā)優(yōu)勢(shì)。因此，無(wú)論從國(guó)家的政策扶持和市場(chǎng)引導(dǎo)等角度，還是企業(yè)自身技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)布局等角度，中國(guó)都有機(jī)會(huì)獲得鈉離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主導(dǎo)權(quán)，引領(lǐng)鈉離子電池技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)，率先在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用。