中國儲能網(wǎng)訊：11月24-26日，由湖南省工業(yè)和信息化廳、湖南省商務(wù)廳、長沙市人民政府、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會聯(lián)合主辦，100余家機構(gòu)共同支持的湖南（長沙）電池博覽會暨第二屆中國國際新型儲能技術(shù)及工程應(yīng)用大會在長沙圣爵菲斯大酒店召開。此次大會主題是“新能源、新機遇、新高度”。
會議期間，組委會邀請了江蘇眾鈉能源科技有限公司首席科學(xué)家趙建慶分享主題報告《儲能型鈉離子電池技術(shù)及其關(guān)鍵正極材料》。以下是發(fā)言主要內(nèi)容：
趙建慶：下面由我來給大家做關(guān)于儲能型鈉離子電池技術(shù)以及關(guān)鍵正極材料的匯報。我是來自蘇州大學(xué)能源學(xué)院以及江蘇眾鈉能源科技的趙建慶。我們江蘇眾鈉能源是圍繞聚陰離子型鈉離子電池正極材料所做的一系列的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)工作。
鈉離子電池，現(xiàn)在由于國家政策導(dǎo)向以及各方面的政策推進(jìn)，我們更多地關(guān)注是鈉離子電池在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用。當(dāng)然，鈉離子電池由于它本身價格的優(yōu)勢，它可能在低速的電動車、電動交通工具上有快速的應(yīng)用。
這是我們公司現(xiàn)階段在公司規(guī)劃過程中整理出來的關(guān)于鈉離子電池各個方面的應(yīng)用場景（如圖）。我們就可以看到鈉離子電池其實它的真正切入點上，最快的可能是切到二輪電動車上，進(jìn)一步地在一些低速電動車、工程動力車上，最后隨著儲能系統(tǒng)的完善以及整個產(chǎn)業(yè)鏈的完善，鈉離子電池將在大型儲能系統(tǒng)上有它的獨特應(yīng)用優(yōu)勢。
其實從技術(shù)發(fā)展路徑來看，鈉離子電池跟鋰離子電池從技術(shù)發(fā)展來說是同步的。前面鈉離子電池，由于剛才講了鈉離子電池的一些，我們當(dāng)時認(rèn)為的一些缺點，能量密度適當(dāng)偏低，價格優(yōu)勢不明顯，但是現(xiàn)在隨著鋰離子電池碳酸鋰的價格從一年前的6萬到現(xiàn)在60萬左右，使得鈉離子成本優(yōu)勢顯現(xiàn)的非常明顯。真正我們認(rèn)為鈉離子電池它的產(chǎn)業(yè)起點應(yīng)該是說2021年，隨著寧德時代在發(fā)布會上提出了鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用以后，整個國內(nèi)的產(chǎn)業(yè)鏈慢慢地在成熟。
鈉離子電池有它的優(yōu)勢。所謂優(yōu)勢，第一個優(yōu)勢就是鈉離子電池相對于鋰離子電池來說，在成本上具有很大的優(yōu)勢，這是它能夠在未來大型儲能上應(yīng)用的一個關(guān)鍵點。第二個，鈉離子電池又相對于鉛酸電池來講，它確實是在能量密度也好，循環(huán)穩(wěn)定性也好，是比鉛酸電池有成倍的優(yōu)勢的，所以我們現(xiàn)在更多的關(guān)注就是鈉離子電池如何把成本打下來。這是第一個。第二個，要用到大型儲能上，如何把鈉離子電池的循環(huán)性能提升上去，倒是對它的能量密度、敏感度不是那么的高。
那么為什么鈉離子電池現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)會發(fā)展得那么快？是因為我們有成熟的鋰離子電池整個產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)。其實鈉離子電池在電池結(jié)構(gòu)、工作原理，包括我們一系列的原料輔材，包括后端的電芯備、模組PACK，包括現(xiàn)在整個儲能系統(tǒng)的集成，完完全全可以參照鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈的，所以使得它的整個產(chǎn)業(yè)鏈起步就是站在巨人的肩膀上做的這個事情。我們有理由相信鈉離子電池在后端的產(chǎn)業(yè)鏈上面成熟會非常的快。
我們這塊主要是做正極材料，剛才幾位專家都講了，它有三條技術(shù)路線，包括層狀氧化物、聚陰離子型、普魯士藍(lán)白型。它有各自的優(yōu)勢，因為各自優(yōu)勢取決于它不同的晶體結(jié)構(gòu)以及鈉離子在晶體結(jié)構(gòu)里面的站位。我們可以看到這個表格也是最近的一系列的研報上截下來的一個表格（如圖），可以看到在這個過程中，層狀氧化物和聚陰離子型體系現(xiàn)在慢慢被行業(yè)認(rèn)為可能是未來兩條主流的技術(shù)路線，普魯士藍(lán)白可能存在著它本身的循環(huán)層面上的一些小問題，要產(chǎn)業(yè)化可能節(jié)奏會稍微慢一點。
如何來對比這兩個？我們一直在思考這個問題，因為我們主打是聚陰離子型的。我們可以把這兩條路線類比于高鎳三元跟磷酸鐵鋰的路線。其實它們從晶體的結(jié)構(gòu)層面，或者說它們的性能優(yōu)劣點層面，我們可以完完全全地參考高鎳三元和磷酸鐵鋰。在這個過程中，聚陰離子型的在安全性、循環(huán)性能上，它可能層狀氧化物會有一定的優(yōu)勢。這個過程中我們就可以看到為什么它在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性能以及循環(huán)性能上有這個優(yōu)勢呢？取決于它的晶體結(jié)構(gòu)。首先它是三維立體的儲鈉，就表明聚陰離子型是由過渡金屬氧形成的四面體、八面體搭建的三維立體結(jié)構(gòu)，使得它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常好。還要講它的儲鈉動力學(xué)塊取決于在保證它的本真電導(dǎo)率的基礎(chǔ)上，因為是三維擴散通道，所以我們認(rèn)為它的儲鈉動力學(xué)的潛力應(yīng)該是很好的。
還有一個優(yōu)勢在哪里？它的工作電壓高，工作電壓高一定程度上彌補了它的克容量相對于層狀氧化物偏低的劣勢。為什么？能量密度理論值等于工作電壓乘以它的克容量，這個層面上就保證了它的能量密度可能沒有我們想象的那么低。還有就是原材料成本低，我們更多的關(guān)注在什么東西？純鐵基。純鐵基材料不涉及到其他過渡金屬鎳、錳、鐵等等，純鐵基材料的過程中，成本肯定相對偏低。這個過程中又涉及到一個什么工作電壓，剛才講到聚陰離子型鐵基，尤其是硫酸鹽體系，它的工作電壓跟高鎳三元是一個工作電壓平臺，大概在3.8V左右，所以這塊它的能量密度相對會比較高。另一個層面上它的循環(huán)穩(wěn)定性可以類比于磷酸鐵鋰，所以我們可以預(yù)期聚陰離子型最后做到循環(huán)穩(wěn)定性的話，可以做到鐵鋰的程度。在這個過程中純鐵基環(huán)境比較友好。
當(dāng)然了聚陰離子型也有它的問題，它的問題在哪里？第一個，它的晶體結(jié)構(gòu)決定了它的本真電導(dǎo)率不理想，電子在晶體結(jié)構(gòu)里面?zhèn)鬏斒鞘芟薜摹５诙€，由于這個過程中它燒結(jié)的溫度偏低，所以容易在合成過程中形成一些納米顆粒。你在做二次顆粒振實密度提升方面確實沒有層狀氧化物那么理想，這塊需要做電極材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計來進(jìn)行解決。第三個，作為純鐵基這塊有一個小問題，就是二價的鐵容易氧化。
所以在這個體系里面我們就可以看到，只要把剛才說的三個問題解決掉，它的材料在鈉離子電池電芯應(yīng)用上是有很好的應(yīng)用前景。硫酸鐵鈉，確切地講應(yīng)該叫硫酸亞鐵鈉，最早是在2014年東京大學(xué)的YAMADA教授才提出來的。這個提出以后就受到了很大的關(guān)注，為什么？它是一個類固溶體的反應(yīng)，把硫酸鈉、硫酸亞鐵放在爐子里燒一燒，出來以后就是硫酸亞鐵鈉。它沒有任何的雜質(zhì)，在燒結(jié)過程中全固態(tài)，低溫，低于400度，能耗低。另一個方面沒有雜質(zhì)，所以它材料的轉(zhuǎn)換率非常高，我們可以認(rèn)為它是100%的產(chǎn)品，無需要廢氣，沒有產(chǎn)生一些廢液，因為你只要有一個簡單的氮氣保護(hù)就行。這個過程中，這款材料去解決它的問題的時候，更多的在應(yīng)用端，材料生產(chǎn)端我們想辦法去解決問題。這個解決問題非常簡單的一個思路就是你參考鐵鋰，加一些碳的添加劑。鐵鋰當(dāng)然是原位包碳，這塊包碳有難度，為什么？燒結(jié)溫度偏低，400度的溫度，你去包碳的話碳化不夠，那怎么講？你就原位引入一些具有高導(dǎo)電性的碳介質(zhì)，包括碳納米管、碳纖維等等。因為全固態(tài)引入，所以它的碳含量控制非常容易，加進(jìn)去多少，折算一下理論，就是一個值。這個過程中，前面我個人也做了一些小工作，把這個里面放到我們的原位合成中，引入一些碳納米管，就可以看到碳納米管可以形成與活性材料一個共生結(jié)構(gòu)，這個過程中進(jìn)一步提高它的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。另一個需要強調(diào)的，碳納米管、碳纖維等等是一個強疏水的介質(zhì)，你把它放在顆粒表面，它有一定的疏水性。
所以這個過程中，我們對它進(jìn)行一個材料層面上的性能測試。我們就可以看到它的工作電壓確實非常高，半電池體系下對鈉有3.8V，這個完完全全就是高鎳相類似的一個電位平臺。而且它的曲線非常的平，還是比較理想的。另一方面它的克容量，當(dāng)然我們需要進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，現(xiàn)階段我們百噸線量產(chǎn)的克容量可以達(dá)到90mAh/g以上。它的倍率也蠻好，循環(huán)5C條件下可以得到2000次，但是這是基于半電池，我們后面會講全電池的情況。
當(dāng)然我們在前面也對它一些基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)、電化學(xué)極化做了一些基礎(chǔ)的研究。可以看到它的晶體結(jié)構(gòu)變化很小，在充放500次循環(huán)以后，只有3%的體積變化、晶體結(jié)構(gòu)變化。還有它的工作定位很穩(wěn)定，極化非常小，使得它在整個長循環(huán)過程中，循環(huán)穩(wěn)定性跟電化學(xué)性能很好。另一個層面上，從晶體結(jié)構(gòu)出發(fā)，它有三個鈉的站位，不同鈉的站位有不同的動力學(xué)行為，不同的動力學(xué)行為使得它在某一個層面上，這個藍(lán)線是它的離子擴散速率（圖）?？梢钥吹?，它其實在充電端，在充電的高電位端和放電端有一些離子擴散的限制，但是它總的離子擴散速率在10的-9次方層面，應(yīng)該說還是很理想的。所以我們做產(chǎn)業(yè)化的時候，前面一直有人在問你這個材料是不是不穩(wěn)定？二價亞鐵在空氣里面，你做電芯的時候，你在涂布烘干的時候，是不是很不穩(wěn)定？這一點一開始我們也是擔(dān)心的，非常擔(dān)心，但是現(xiàn)在我們驗證下來，如果說采用的是一個復(fù)合體系的，在這個過程中，我們在100攝氏度的烘箱里面放鼓風(fēng)，放了24個小時，我們就可以看到它其實克容量損失是沒有的。所以我們可以認(rèn)為，這一款材料其實它的空氣穩(wěn)定性或者說儲存性能比我們想象的要好。
另一個層面上我們也做了一些熱衷分析，它真正整個材料要進(jìn)行分解，產(chǎn)生一些二氧化硫等等介質(zhì)的時候，必須要達(dá)到500度左右。所以在一般情況下，不發(fā)生任何意外或者交通等事故情況下，電芯很難把里面的二氧化硫這個聚陰離子型，這個硫酸根聚陰離子型分解。
所以在這個基礎(chǔ)上我們也做了一些工作，通過它的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過它的結(jié)晶度的調(diào)控，其實我們現(xiàn)在研發(fā)階段能夠把它的克容量做到110mAh/g，無限地接近于它的理論容量。當(dāng)然產(chǎn)業(yè)化層面上我們還需要加油。
下面講講我們在這個過程中如何把它定義成儲能型鈉離子電池。儲能型鈉離子電池剛才講了幾個，安全性和循環(huán)，所以我們還是匹配的硬碳。因為你要保證一個鈉離子電池的循環(huán)，必須要有一個很好的負(fù)極材料，我們采用硬碳。所以我們的目標(biāo)，其實我們的目標(biāo)能量密度要達(dá)到150Wh/kg，倍率是10c，循環(huán)穩(wěn)定性需要到1萬次以上。這是我們作為一個儲能型鈉離子電池的技術(shù)指標(biāo)。所以我們做了一系列的不同安時的，1安時、5安時，到后面的15安時，20安時，我們來看看它的性能。
從這個過程中其實我們就可以看到，作為一個電芯，作為一個全電池，硬碳的全電池它的工作電壓很高，3.7伏，而且它的倍率性能很好，它的極化非常小。到2C的時候，它的工作電位平均平臺也有3.7伏左右。由于小軟包，所以它的能量密度可能現(xiàn)階段還比較小，但是它的庫侖效率我們現(xiàn)在全電池可以做到85%。后端我們又用了2安時、5安時的電芯，做一些倍率，以及做一個循環(huán)。我們可以看到在這個循環(huán)過程中，這些都是第三方的測試數(shù)據(jù)，包括我們的投資人說你拿個電芯給我測試，我們拿過去給他測了，這些都是來自他們的反饋數(shù)據(jù)。我們就可以看到，在硫酸鐵鈉基的鈉離子電池層面上，1C的全充全放的倍率體系下，它現(xiàn)在跑到了2000多圈，容量保持在95%。所以我們后面有理由相信，當(dāng)然在2C上，我們在100%DOC跟80%DOC層面上進(jìn)行測試，這個數(shù)據(jù)還沒來得更新，我們現(xiàn)在2C的話基本上測到了5000圈，下面80%的DOC我們已經(jīng)測到了7500圈，容量還保持在80%以上。
所以在這塊上，當(dāng)我們的電芯做到15安時級別以上的時候，其實我們的能量密度已經(jīng)可以做到，當(dāng)然軟包體系可以做到110～120。這個是我們20安時，包括我們現(xiàn)在20安時的成品，我們已經(jīng)做了一個4820的電瓶車的模組，現(xiàn)在已經(jīng)送到了我們頭部的二輪電動車企業(yè)進(jìn)行了一些驗證。這個驗證我們可以看到這個過程中，我們的電壓其實是非常好的，它在不同容量的電芯層面上都可以達(dá)到3.7伏，單體的能量密度可以達(dá)到120Wh/Kg，PACK，就做成我們PACK可以做到90以上。
這塊講的是什么東西？安全性。這個視頻能不能給我們點一點？看看能不能運行起來？不行，是吧？這是我們關(guān)于它的安全性針刺實驗。我們在滿電情況下對它進(jìn)行針刺，就可以看到，其實針刺我們做了不同的好幾個電芯，沒有一個電芯是起火爆炸的，甚至連冒煙都沒有。這是我們針刺的實景（如圖）。下面我們對它進(jìn)行了過充、過放、短路等一系列的測試，在這個測試過程中，可以看到它的安全性能非常好。從這個層面上，我們就可以得到一個簡單的結(jié)論，硫酸鐵鈉基的鈉離子電池，它的安全性能得到保證的。第二個它的循環(huán)穩(wěn)定性，我們預(yù)計可以超過，至少在這個層面上的電芯可以超過5000次循環(huán)。
另一方面我們對它做了一個什么東西？在循環(huán)過程中的倍率溫升。我們可以看到其實在高倍率體系下，大于5C的高倍率體系下，進(jìn)行充放電的時候它的溫升，在電芯的不同的表面上溫升也是低于8攝氏度的。倍率芯片上5C可以達(dá)到95%以上。所以這款電芯對我們來說還是很有信心的，做到儲能體系。另一層面上，做了一個低溫性能的測試。我們可以看到在低溫性能上，在-20度的全環(huán)境條件下，去充放的時候我們可以得到85%的容量保持率。那么-40度現(xiàn)在有點難度，只能放不能充，我們盡量在電解液負(fù)極層面上做一些技術(shù)的推進(jìn)，使得它-40度能夠進(jìn)行一個全充放的反應(yīng)。
對比鐵鋰跟石墨，硫酸鐵鈉跟硬碳體系作為儲能電池來講，我們可以得到以下的結(jié)論。當(dāng)然我們只是一個參考，現(xiàn)在行業(yè)各個數(shù)據(jù)的總結(jié)。鉛酸電池由于還回收，現(xiàn)在其實它的成本可以做到0.3以下。但是我們硫酸鐵鈉基的電池原則上來講，我們應(yīng)該預(yù)計在2024年底，可以做到0.35。所以這個優(yōu)勢使得我們的這款電池肯定會在未來的儲能系統(tǒng)上有一個比較理想的應(yīng)用前景。另一個層面上做一個簡單的，鋰鈉混用，寧德時代第一次提出來的鈉離子電池就是鋰鈉混用，它是ab電池，但是我們這個體系剛才講了一個優(yōu)勢是什么東西？我們的電池它的充放電平臺跟高鎳三元的充放電平臺是一致的，跟高鎳三元的截止電位是一致的，使得我們的電池正極材料在高鎳三元材料層面上的混用，它具有得天獨厚的優(yōu)勢。我們一些初步的驗證，在后面包括它的低溫循環(huán)穩(wěn)定性，高倍率性能上，解決了高鎳正極材料現(xiàn)階段不管是在乘用車上面，還是說在其他的應(yīng)用領(lǐng)域上，它兩個痛點：第一個，它的低溫性能不好；第二個，它的高倍率性能不好。
下面利用一兩分鐘時間簡單介紹一下我們其他的氟磷酸氧釩鈉體系。在氟磷酸氧釩鈉體系過程中，我們就可以看到它其實同樣的通過碳材料的摻雜，具有很好的各方面優(yōu)勢。當(dāng)然這一系列工作都是在研究階段做的，強調(diào)的是第一個它的倍率性能非常好，半電池可以做到100C。另一個它的低溫性能很好，2C的話-20度可以達(dá)到50%的容量保持率。
簡單總結(jié)一下，我們的聚陰離子型，不管鐵基也好，釩基也好，通過碳復(fù)合技術(shù)，可以改善它的電化學(xué)性能。第二方面，要提升電化學(xué)性能，你可以對正極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)的調(diào)控。第三，電芯的電化學(xué)體系或者化學(xué)體系是提升我們鈉離子電池整個安全以及循環(huán)穩(wěn)定性的一個非常重要的環(huán)節(jié)。第四，鋰鈉混用可以改善高鎳正極材料的環(huán)境。
借此機會簡單介紹一下我們江蘇眾鈉能源。剛才講江蘇眾鈉能源以硫酸鐵鈉及鈉離子電池作為我們產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的產(chǎn)品，我們現(xiàn)在在蘇州跟鎮(zhèn)江有一個研發(fā)中心，有一個工程技術(shù)中心，現(xiàn)在Pre—A輪應(yīng)該在這個月底能夠交割完?；谶@一塊，基于我們的工程技術(shù)團隊，我們已經(jīng)完成了百噸線的中試量產(chǎn)，以及我們電芯二三百個的小批量的試制，當(dāng)然我們模組PACK已經(jīng)送到了頭部的二輪電動車企業(yè)，進(jìn)行了下一段的驗證。我們眾鈉能源主要更多的是以提供鈉電能源解決方案，作為我們的主營業(yè)務(wù)，包括我們的BMS，包括我們的集成系統(tǒng)等等一系列的。
在這個過程中，這些是我們的一些股東。另一方面，在我們發(fā)展前期也得到了來自復(fù)旦大學(xué)夏永姚教授、南京大學(xué)、廈門大學(xué)、福州大學(xué)、浙江大學(xué)以及中科院、南開大學(xué)等各位老師的支持。另一方面，我們隨著業(yè)務(wù)發(fā)展，如果感興趣的加入我們的，我們在這個層面上需要有一些招聘。
簡單給大家介紹到這里，謝謝大家。
