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作者：胡勇勝 中國科學(xué)院物理研究所研究員
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電池——伏打電堆以來，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，不斷滿足人們對電力靈活運用的需求。近年來，隨著對可再生能源利用的巨大需求和對環(huán)境污染問題的日益關(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)能的形式存儲下來的儲能技術(shù)，在新一輪能源變革中迎來新的發(fā)展機遇。
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)展機遇。二十世紀(jì)七十年代在歐洲開啟研究，1991年在日本實現(xiàn)商業(yè)化，迅速獲得市場的認(rèn)可，成為“4C” 產(chǎn)品（即計算機、通訊、網(wǎng)絡(luò)和消費電子）不可或缺的重要組件。近二十年來，又在各國政府的大力支持下，鋰離子電池在新能源汽車領(lǐng)域的發(fā)展勢頭同樣強勁，同時中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟2019年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示在全球電化學(xué)規(guī)模儲能示范項目中，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儲能技術(shù)并不能全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，受鋰資源儲量（~17ppm）和分布不均勻（~70%在南美洲）的限制（特別是我國目前80%鋰資源依賴進(jìn)口），鋰離子電池難以同時支撐起電動汽車和電網(wǎng)儲能兩大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，鋰離子電池的替代或備選儲能技術(shù)成為世界各國新能源技術(shù)競爭焦點，誰將成為繼鋰離子電池之后的另一儲能技術(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開展研究，由于受當(dāng)時研究條件的限制和研究者對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它的發(fā)展轉(zhuǎn)折與復(fù)興，近十年來鈉離子電池的研究更是取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。這離不開對鋰離子電池研究經(jīng)驗的成功借鑒，更離不開對鈉離子電池本征優(yōu)勢的不斷探索。
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量豐富、分布廣泛、成本低廉、無發(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，還具有較好的功率特性、寬溫度范圍適應(yīng)性、安全性能和無過放電問題等優(yōu)勢（圖1）。同時借助于正負(fù)極均可采用鋁箔集流體構(gòu)造雙極性電池這一特點，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、長壽命、高比能和高安全的方向邁進(jìn)。
圖1 鈉離子電池優(yōu)勢
經(jīng)過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、儲鈉機制探索和電芯技術(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，專利的申請數(shù)目逐年遞增。2020年，美國能源部公布了對電池研究計劃的布局，著力開展對動力電池和儲能電池的基礎(chǔ)研究與先進(jìn)制造，在此計劃中明確將鈉離子電池作為儲能電池的發(fā)展體系。歐盟儲能計劃 “電池2030” 項目公布了未來重點發(fā)展的電池體系，包括鋰離子電池、非鋰離子電池和未來新型電池，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”重點發(fā)展項目（資助800萬歐元）。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Faradion公司、法國Timat、日本岸田化學(xué)、美國Natron Energy等公司，以及我國的中科海鈉、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，鈉離子電池已成為世界各國競相發(fā)展的儲能技術(shù)?，F(xiàn)在的問題是，在新一輪的電池技術(shù)角逐中，中國是否有機會率先在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)鈉離子電池的商業(yè)化？
我國的鈉離子電池發(fā)展現(xiàn)狀
從國家能源安全而言，我國的基本國情為鈉離子電池在中國的產(chǎn)業(yè)化提供了肥沃土壤。從能源結(jié)構(gòu)來看，我國是一個富煤、少氣、缺油的國家，致使我國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)口量世界第一的國家。當(dāng)前，世界政治、經(jīng)濟格局深刻調(diào)整，能源供求關(guān)系深刻變化，我國能源資源約束日益加劇，能源發(fā)展面臨一系列新問題新挑戰(zhàn)。如何降低我國對外進(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題。
能源綠色低碳轉(zhuǎn)型是我國可持續(xù)發(fā)展的必然選擇，我國政府對儲能技術(shù)的研究開發(fā)和應(yīng)用推廣給予了高度重視，已出臺多項支持政策。能源互聯(lián)網(wǎng)是基于可再生能源的分布式、開放共享網(wǎng)絡(luò), 能源互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是儲能。
面對如此龐大的需求，儲能技術(shù)的發(fā)展迎來了不可忽視的機遇。鈉離子電池技術(shù)在中國的商業(yè)化進(jìn)程必將勢不可擋，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)的儲能電池發(fā)展受限問題，是鋰離子電池的有益補充，同時可逐步替代環(huán)境污染嚴(yán)重的鉛酸電池，推動我國清潔能源技術(shù)應(yīng)用邁向新臺階，為我國能源安全和社會可持續(xù)發(fā)展提供保障。
從產(chǎn)業(yè)需求推動而言，我國的儲能市場為鈉離子電池在中國的產(chǎn)業(yè)化創(chuàng)造了必要條件。近年來，我國清潔能源產(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，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。
中國科學(xué)院物理研究所陳立泉院士在最新召開的2020年儲能國際峰會中多次倡導(dǎo)要大力發(fā)展儲能技術(shù)，促電動中國，保能源安全。他對我國儲能行業(yè)的現(xiàn)狀做了詳細(xì)分析，指出2018年全國數(shù)據(jù)中心共耗電1609億度電，占中國全社會用電量的2.35%；2018年我國棄光、棄風(fēng)、棄水電量共計1022億度電；隨著5G基站建設(shè)進(jìn)程加快，我國至少需要新建或改造1438萬個基站，存在155 GWh電池的容納空間，對儲能電池的需求必將大幅提升。
面對巨大的儲能市場，鈉離子電池以其低成本、長壽命和高安全的諸多優(yōu)勢有望在低速電動車、電動船、數(shù)據(jù)中心、通訊基站、家庭/工業(yè)儲能、可再生能源大規(guī)模接入和智能電網(wǎng)等多個領(lǐng)域快速發(fā)展（圖2），提升我國在儲能技術(shù)領(lǐng)域的競爭力與影響力。
圖2 鈉離子電池潛在應(yīng)用領(lǐng)域
從核心技術(shù)層面來看，我國的技術(shù)儲備為鈉離子電池在中國的產(chǎn)業(yè)化做好了充分準(zhǔn)備。我國在鈉離子電池的研發(fā)方面處于國際領(lǐng)先水平，在核心材料體系方面具有完全獨立自主的知識產(chǎn)權(quán)，部分專利還獲得了美國、日本和歐盟的授權(quán)。這預(yù)示著我國不僅不會在核心技術(shù)方面遭遇卡脖子的危險，而且還有機會為鈉離子電池爭取更大的海外市場。
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)計和研制、模塊化集成與管理，推動鈉離子電池的商業(yè)化進(jìn)程。其中，國內(nèi)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2019年3月發(fā)布了世界首座30 kW/100 kWh鈉離子電池儲能電站，標(biāo)志我國在鈉離子電池的應(yīng)用示范方面走在了世界前列。目前，我國在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)制造、標(biāo)準(zhǔn)制定以及市場推廣應(yīng)用等方面的工作正在全面展開，為鈉離子電池在中國的商業(yè)化奠定堅實的基礎(chǔ)。
總之，在全球大規(guī)模儲能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的今天，特別是在眾多電化學(xué)儲能技術(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特的優(yōu)勢在儲能領(lǐng)域擁有廣闊的用武之地。我國鈉離子電池在基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度方面都處于國際領(lǐng)先地位，已具備了先發(fā)優(yōu)勢。因此，無論從國家的政策扶持和市場引導(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，中國都有機會獲得鈉離子電池產(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，率先在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用。（胡勇勝）
