中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：20世紀(jì)70年代至80年代，鈉離子電池技術(shù)與鋰離子電池技術(shù)曾經(jīng)同時(shí)受到業(yè)界的關(guān)注。此后，后者率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這主要得益于軟碳、石墨等碳材料擁有優(yōu)良的嵌鋰特性，這種特性能有效提高電池的充放電效率，使鋰離子電池的能量密度大幅提升，嵌鋰過(guò)程的可逆性和穩(wěn)定性也能增加電池的循環(huán)壽命。
近年來(lái)，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，電池的技術(shù)水平顯著提升。憑借資源豐富、價(jià)格低廉、安全性高的特點(diǎn)，鈉離子電池技術(shù)被加速研發(fā)和應(yīng)用。不久前，大容量鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)入選國(guó)家能源局發(fā)布的2024年度能源行業(yè)十大科技創(chuàng)新成果，該項(xiàng)成果突破了大容量鈉離子電池儲(chǔ)能技術(shù)和工藝難題，在核心材料體系、系統(tǒng)集成、安全防控等方面具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并在位于廣西南寧、湖北潛江等地的鈉離子儲(chǔ)能電站項(xiàng)目中得到應(yīng)用。
中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員陳立泉認(rèn)為，鈉離子電池的規(guī)?；瘧?yīng)用對(duì)于我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)意義重大，其將支撐規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展，保障國(guó)家能源安全，還可為短程電動(dòng)汽車、智慧城市、智慧鄉(xiāng)村、智慧礦山的發(fā)展和建設(shè)提供動(dòng)力。
鈉離子技術(shù)為何備受關(guān)注
在儲(chǔ)能行業(yè)，鈉離子電池技術(shù)之所以被關(guān)注，主要源于其具備的以下特點(diǎn)：較低的原料成本、較高的循環(huán)穩(wěn)定性和良好的溫度適應(yīng)性。
原料成本低主要因?yàn)槲覈?guó)鈉礦資源豐富。根據(jù)自然資源部高原荒漠區(qū)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心的測(cè)算，僅青海柴達(dá)木盆地鹽湖的納資源可采儲(chǔ)量就達(dá)到2823.6億噸。另?yè)?jù)《青海建設(shè)世界級(jí)鹽湖產(chǎn)業(yè)基地行動(dòng)方案（2021—2035）》的預(yù)測(cè)，如果按照兩堿產(chǎn)能500萬(wàn)噸折合成氯化鈉約為900萬(wàn)噸/年計(jì)算，鈉資源的靜態(tài)保障年限為30745年，資源保障程度很高。
較高的循環(huán)穩(wěn)定性取決于鈉離子電池的正極材料。目前，主流鈉離子電池的正極材料包括三類：層狀氧化物、普魯士藍(lán)/白和聚陰離子等。其中，層狀氧化物的能量密度高，以銅鐵錳氧化物為例，這類正極材料的循環(huán)壽命一般為3000～4000次。聚陰離子同樣具有長(zhǎng)壽命、高溫穩(wěn)定性和高安全性的特點(diǎn)，循環(huán)壽命可達(dá)4000次左右，高于磷酸鐵鋰的3000次以及三元鋰電池的2000次左右。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員胡勇勝認(rèn)為，鈉離子電池憑借長(zhǎng)壽命、寬溫區(qū)、高功率等突出性能，在儲(chǔ)能和動(dòng)力領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
鈉離子電池的電解液設(shè)計(jì)在溫度適應(yīng)性方面發(fā)揮了重要作用。通過(guò)構(gòu)建低溫自適應(yīng)電解液，鈉離子電池可以在低溫下實(shí)現(xiàn)更高的離子電導(dǎo)率，且受溫度影響較小。研究證明，鈉離子電池在零下20攝氏度的環(huán)境下容量保持率接近90%，在高溫環(huán)境下，鈉離子電池也不容易發(fā)生熱失控。近期，西安交通大學(xué)化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院唐偉教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)溶劑分子間的相互作用設(shè)計(jì)了一種新的電解質(zhì)，使鈉電池的工作溫度范圍拓寬至零下40～45攝氏度，并且在低溫下具有優(yōu)異的快充性能。
除了上述技術(shù)特點(diǎn)外，鈉離子電池技術(shù)在安全性上有不可替代的價(jià)值。
首先是資源賦存。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員李會(huì)泉的研究，如果以碳酸鋰計(jì)算，我國(guó)鋰資源約占全球總儲(chǔ)量的5.7%，但資源品位較低、組成復(fù)雜。目前，雖然退役鋰電池回收產(chǎn)業(yè)已形成規(guī)模，但在廢舊鋰電池全組分資源化利用效率、生產(chǎn)工藝綠色化方面仍有較大的提升空間。2022年，我國(guó)鋰資源的對(duì)外依存度高達(dá)60%。與之相比，我國(guó)的鈉資源豐富，發(fā)展鈉離子電池有助于在保障能源安全的同時(shí)推動(dòng)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。
其次是技術(shù)路線安全。鋰離子電池技術(shù)是將國(guó)外的技術(shù)專利引入國(guó)內(nèi)，借助龐大的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。而鈉離子電池的基礎(chǔ)材料研究和核心專利均來(lái)自中國(guó)科學(xué)院物理研究所，基于銅的化學(xué)機(jī)理，我國(guó)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了鈉離子電池的正極材料，并在全球主要國(guó)家申請(qǐng)了專利，這正是我國(guó)鈉離子電池的核心技術(shù)之一。
在規(guī)模儲(chǔ)能項(xiàng)目中將更具潛力
自主可控、較高的安全性和深度充放電的能力，讓鈉離子電池技術(shù)受到業(yè)內(nèi)關(guān)注，并已在多個(gè)項(xiàng)目中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。大唐湖北100兆瓦/200兆瓦時(shí)鈉離子新型儲(chǔ)能電站科技創(chuàng)新示范項(xiàng)目一期工程（以下簡(jiǎn)稱“大唐湖北項(xiàng)目”）就是其中之一。該項(xiàng)目是鈉離子新型儲(chǔ)能技術(shù)在全球的首次大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)裝備的100%國(guó)產(chǎn)化。根據(jù)大唐湖北能源公司2月初發(fā)布的信息，自2024年6月30日投產(chǎn)至當(dāng)年年底，電站共實(shí)現(xiàn)充放電147次。根據(jù)測(cè)算，項(xiàng)目每年可充放電300次以上，在電網(wǎng)運(yùn)行高峰期，可滿足約2萬(wàn)戶家庭的日常用電需求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)年減排二氧化碳3萬(wàn)噸。
中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)教授李景虹認(rèn)為，鈉離子混合電容器具有高功率密度、長(zhǎng)壽命且能量密度可觀的特點(diǎn)，未來(lái)可以替代鉛酸電池，并填補(bǔ)超級(jí)電容器和鋰離子電池性能之間的空白。開(kāi)發(fā)低成本、高安全的鈉離子混合電容器在規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域更具發(fā)展?jié)摿Α?/span>
當(dāng)前，隨著電力現(xiàn)貨市場(chǎng)和輔助服務(wù)市場(chǎng)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)峰谷套利、需求響應(yīng)等模式的需求不斷增加。鈉離子電池的充放電倍率性能優(yōu)異，能夠快速響應(yīng)功率需求，適合在電力系統(tǒng)中進(jìn)行短時(shí)儲(chǔ)能和調(diào)頻應(yīng)用。大唐湖北項(xiàng)目的鈉離子電芯供貨方——中科海鈉科技有限責(zé)任公司總經(jīng)理李樹(shù)軍以工商業(yè)儲(chǔ)能項(xiàng)目為例指出，電力系統(tǒng)目前每天需要經(jīng)歷“兩峰兩谷”，峰谷調(diào)節(jié)至少需要充電兩次，一年累計(jì)約700次，這對(duì)電池壽命的要求極高，鈉離子電池可以發(fā)揮更好的作用。
“鋰鈉協(xié)同”也是儲(chǔ)能業(yè)內(nèi)多位專家指出的技術(shù)應(yīng)用方向。當(dāng)前，兼容鋰離子電池高能量密度、鈉離子電池高安全性及良好低溫性能的鈉鋰離子聯(lián)合儲(chǔ)能系統(tǒng)已經(jīng)試點(diǎn)應(yīng)用。
2023年11月，位于浙江寧波前灣新區(qū)的銀灣東路臺(tái)區(qū)儲(chǔ)能項(xiàng)目投入運(yùn)營(yíng)，項(xiàng)目裝機(jī)容量為110千瓦/200千瓦時(shí)。這個(gè)項(xiàng)目所在地的負(fù)荷主要以充電樁負(fù)荷為主，商鋪商業(yè)用電為輔，負(fù)荷特性呈現(xiàn)出集中性、臨時(shí)性的特點(diǎn)。系統(tǒng)接入后，可依據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，自主判定鈉離子電池或鋰離子電池的放電順序及模式。當(dāng)光伏出力不足且充電處于高峰期時(shí)，儲(chǔ)能電站對(duì)外放電支撐供能，調(diào)節(jié)臺(tái)區(qū)，避免重過(guò)載情況發(fā)生；在低谷時(shí)段，儲(chǔ)能電站充電儲(chǔ)蓄電能，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電站的主動(dòng)削峰填谷。聯(lián)合應(yīng)用鈉離子和鋰離子兩類電池的運(yùn)行模式，將鈉離子儲(chǔ)能的高能量轉(zhuǎn)換效率、超長(zhǎng)循環(huán)壽命的特點(diǎn)與鋰離子電池的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，可以在防范潛在風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提升儲(chǔ)能電站的運(yùn)行壽命。
新材料和人工智能正助推研發(fā)
2月17日，工業(yè)和信息化部等八部門聯(lián)合印發(fā)《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案》（以下簡(jiǎn)稱“《行動(dòng)方案》”），提出要發(fā)展多元化新型儲(chǔ)能本體技術(shù)。對(duì)于鈉離子電池，《行動(dòng)方案》明確要研發(fā)高性能硬碳、篩分型碳等負(fù)極材料以及高容量正極材料，聚焦長(zhǎng)壽命、高比能、寬溫域、高功率發(fā)展方向，推動(dòng)大規(guī)模鈉電池儲(chǔ)能系統(tǒng)集成及應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)，服務(wù)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。
鈉離子的離子半徑比鋰離子大，且鈉的相對(duì)質(zhì)量比鋰大，導(dǎo)致鈉離子電池在能量密度上存在天然劣勢(shì)——在相同體積或重量的情況下，鈉電池儲(chǔ)存的能量比鋰電池少，其能量密度更小。
因此，正負(fù)極材料是當(dāng)前鈉離子電池技術(shù)研究的重點(diǎn)。胡勇勝及其團(tuán)隊(duì)在研究鈉離子電池正極預(yù)鈉化技術(shù)后發(fā)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)通過(guò)在電池的正極、負(fù)極等位置引入額外的鈉源，可有效抵消首周鈉離子的不可逆消耗。這一過(guò)程不僅能顯著提升電池的容量和能量密度，還能優(yōu)化其循環(huán)性能。因此，可以借助預(yù)鈉化技術(shù)提升鈉離子電池的能量密度，延長(zhǎng)其循環(huán)壽命。
人工智能技術(shù)也在被引入新材料的發(fā)現(xiàn)和材料性能優(yōu)化中。近期，華中科技大學(xué)、武漢大學(xué)和浙江大學(xué)聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于瞬態(tài)高溫的動(dòng)力學(xué)解耦碳化策略。這種策略通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)智能優(yōu)化，精確控制碳化過(guò)程，增加了鈉離子電池硬碳負(fù)極的容量，增強(qiáng)其倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性，突破了傳統(tǒng)碳化方法的局限，為高性能鈉離子電池負(fù)極材料的開(kāi)發(fā)提供了新思路。
未來(lái)，固態(tài)化將成為鈉離子電池技術(shù)的發(fā)展方向，這一趨勢(shì)已得到政策支持且形成行業(yè)共識(shí)。據(jù)李樹(shù)軍介紹，固態(tài)鈉離子電池的研發(fā)已取得重大進(jìn)展。自2016年起，中國(guó)科學(xué)院物理研究所便開(kāi)始固態(tài)鈉離子電池的研究，并已發(fā)現(xiàn)了一類在室溫下具有聚合物黏彈性的無(wú)機(jī)玻璃材料。這種物理性能更好、電導(dǎo)率更高的新型材料，將推動(dòng)鈉離子電池固態(tài)化的進(jìn)程。
《行動(dòng)方案》明確提出，支持鋰電池和鈉電池固態(tài)化發(fā)展，以提升電池的本征安全性能。
可以說(shuō)，固態(tài)化代表了新型儲(chǔ)能技術(shù)的趨勢(shì)，不僅為電池產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)階段奠定了基礎(chǔ)，也有望推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)在更多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。
