中國儲能網(wǎng)訊：20世紀70年代至80年代，鈉離子電池技術與鋰離子電池技術曾經(jīng)同時受到業(yè)界的關注。此后，后者率先實現(xiàn)商業(yè)化，并在消費電子、電動汽車等領域得到廣泛應用，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，隨著材料科學的進步，電池的技術水平顯著提升。憑借資源豐富、價格低廉、安全性高的特點，鈉離子電池技術被加速研發(fā)和應用。不久前，大容量鈉離子電池儲能系統(tǒng)入選國家能源局發(fā)布的2024年度能源行業(yè)十大科技創(chuàng)新成果，該項成果突破了大容量鈉離子電池儲能技術和工藝難題，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產(chǎn)權，并在位于廣西南寧、湖北潛江等地的鈉離子儲能電站項目中得到應用。
中國工程院院士、中國科學院物理研究所研究員陳立泉認為，
“鈉離子電池的規(guī)?；瘧脤τ谖覈鴮崿F(xiàn)“雙碳”目標意義重大，其將支撐規(guī)模儲能技術的可持續(xù)發(fā)展，保障國家能源安全，還可為短程電動汽車、智慧城市、智慧鄉(xiāng)村、智慧礦山的發(fā)展和建設提供動力?！?br />
在儲能行業(yè)，鈉離子電池技術之所以被關注，主要源于其具備的以下特點：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性。
原料成本低主要因為我國鈉礦資源豐富。根據(jù)自然資源部高原荒漠區(qū)戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查開發(fā)技術創(chuàng)新中心的測算，僅青海柴達木盆地鹽湖的納資源可采儲量就達到2823.6億噸。另據(jù)《青海建設世界級鹽湖產(chǎn)業(yè)基地行動方案（2021—2035）》的預測，如果按照兩堿產(chǎn)能500萬噸折合成氯化鈉約為900萬噸/年計算，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/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壽命、高溫穩(wěn)定性和高安全性的特點，循環(huán)壽命可達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。
中國科學院物理研究所研究員胡勇勝認為，鈉離子電池憑借長壽命、寬溫區(qū)、高功率等突出性能，在儲能和動力領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。
鈉離子電池的電解液設計在溫度適應性方面發(fā)揮了重要作用。通過構建低溫自適應電解液，鈉離子電池可以在低溫下實現(xiàn)更高的離子電導率，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，西安交通大學化學工程與技術學院唐偉教授團隊通過溶劑分子間的相互作用設計了一種新的電解質，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。
除了上述技術特點外，鈉離子電池技術在安全性上有不可替代的價值。
首先是資源賦存。根據(jù)中國科學院過程工程研究所研究員李會泉的研究，如果以碳酸鋰計算，我國鋰資源約占全球總儲量的5.7%，但資源品位較低、組成復雜。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，我國鋰資源的對外依存度高達60%。與之相比，我國的鈉資源豐富，發(fā)展鈉離子電池有助于在保障能源安全的同時推動電力系統(tǒng)轉型。
其次是技術路線安全。鋰離子電池技術是將國外的技術專利引入國內，借助龐大的國內市場規(guī)模實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。而鈉離子電池的基礎材料研究和核心專利均來自中國科學院物理研究所，基于銅的化學機理，我國團隊開發(fā)了鈉離子電池的正極材料，并在全球主要國家申請了專利，這正是我國鈉離子電池的核心技術之一。
自主可控、較高的安全性和深度充放電的能力，讓鈉離子電池技術受到業(yè)內關注，并已在多個項目中實現(xiàn)應用。大唐湖北100兆瓦/200兆瓦時鈉離子新型儲能電站科技創(chuàng)新示范項目一期工程（以下簡稱“大唐湖北項目”）就是其中之一。該項目是鈉離子新型儲能技術在全球的首次大規(guī)模商業(yè)化應用，實現(xiàn)了關鍵核心技術裝備的100%國產(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)至當年年底，電站共實現(xiàn)充放電147次。根據(jù)測算，項目每年可充放電300次以上，在電網(wǎng)運行高峰期，可滿足約2萬戶家庭的日常用電需求，同時實現(xiàn)年減排二氧化碳3萬噸。
中國科學院院士、清華大學教授李景虹認為，
“鈉離子混合電容器具有高功率密度、長壽命且能量密度可觀的特點，未來可以替代鉛酸電池，并填補超級電容器和鋰離子電池性能之間的空白。開發(fā)低成本、高安全的鈉離子混合電容器在規(guī)模儲能領域更具發(fā)展?jié)摿Α！?
當前，隨著電力現(xiàn)貨市場和輔助服務市場的發(fā)展，市場對峰谷套利、需求響應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，能夠快速響應功率需求，適合在電力系統(tǒng)中進行短時儲能和調頻應用。大唐湖北項目的鈉離子電芯供貨方——中科海鈉科技有限責任公司總經(jīng)理李樹軍以工商業(yè)儲能項目為例指出，電力系統(tǒng)目前每天需要經(jīng)歷“兩峰兩谷”，峰谷調節(jié)至少需要充電兩次，一年累計約700次，這對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”也是儲能業(yè)內多位專家指出的技術應用方向。當前，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)合儲能系統(tǒng)已經(jīng)試點應用。
2023年11月，位于浙江寧波前灣新區(qū)的銀灣東路臺區(qū)儲能項目投入運營，項目裝機容量為110千瓦/200千瓦時。這個項目所在地的負荷主要以充電樁負荷為主，商鋪商業(yè)用電為輔，負荷特性呈現(xiàn)出集中性、臨時性的特點。系統(tǒng)接入后，可依據(jù)電網(wǎng)運行狀態(tài)，自主判定鈉離子電池或鋰離子電池的放電順序及模式。當光伏出力不足且充電處于高峰期時，儲能電站對外放電支撐供能，調節(jié)臺區(qū)，避免重過載情況發(fā)生；在低谷時段，儲能電站充電儲蓄電能，實現(xiàn)儲能電站的主動削峰填谷。聯(lián)合應用鈉離子和鋰離子兩類電池的運行模式，將鈉離子儲能的高能量轉換效率、超長循環(huán)壽命的特點與鋰離子電池的傳統(tǒng)優(yōu)勢相結合，可以在防范潛在風險的同時提升儲能電站的運行壽命。
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)《新型儲能制造業(yè)高質量發(fā)展行動方案》（以下簡稱“《行動方案》”），提出要發(fā)展多元化新型儲能本體技術。對于鈉離子電池，《行動方案》明確要研發(fā)高性能硬碳、篩分型碳等負極材料以及高容量正極材料，聚焦長壽命、高比能、寬溫域、高功率發(fā)展方向，推動大規(guī)模鈉電池儲能系統(tǒng)集成及應用技術攻關，服務新型電力系統(tǒng)建設。
鈉離子的離子半徑比鋰離子大，且鈉的相對質量比鋰大，導致鈉離子電池在能量密度上存在天然劣勢——在相同體積或重量的情況下，鈉電池儲存的能量比鋰電池少，其能量密度更小。
因此，正負極材料是當前鈉離子電池技術研究的重點。胡勇勝及其團隊在研究鈉離子電池正極預鈉化技術后發(fā)現(xiàn)，這項技術通過在電池的正極、負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，可以借助預鈉化技術提升鈉離子電池的能量密度，延長其循環(huán)壽命。
人工智能技術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、武漢大學和浙江大學聯(lián)合研究團隊提出了一種基于瞬態(tài)高溫的動力學解耦碳化策略。這種策略通過機器學習智能優(yōu)化，精確控制碳化過程，增加了鈉離子電池硬碳負極的容量，增強其倍率性能和循環(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極材料的開發(fā)提供了新思路。
未來，固態(tài)化將成為鈉離子電池技術的發(fā)展方向，這一趨勢已得到政策支持且形成行業(yè)共識。據(jù)李樹軍介紹，固態(tài)鈉離子電池的研發(fā)已取得重大進展。自2016年起，中國科學院物理研究所便開始固態(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機玻璃材料。這種物理性能更好、電導率更高的新型材料，將推動鈉離子電池固態(tài)化的進程。
《行動方案》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，固態(tài)化代表了新型儲能技術的趨勢，不僅為電池產(chǎn)業(yè)的下一個階段奠定了基礎，也有望推動這項技術在更多領域實現(xiàn)應用。
