執著“鈉”十年 鈉離子電池迎來“破曉”
時間:2020-10-26 10:14來源:中國科學報 作者:田瑞穎
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“如果失敗了呢？”
“成與不成，這輩子只干這一件事。”
當眾多人聚焦鋰離子電池的時候，他把目光轉向了“冷門”的鈉離子電池，這“一眼”就是10年，也是這“一眼”打開了鈉離子電池產業化的大門。此時的胡勇勝，不僅是中國科學院物理研究所研究員，還是中科海鈉的創始人。
不久前，中科海鈉生產的全球首款具備自主知識產權的鈉離子電池實現量產，目前電芯產能可達30萬只/月。
全球首輛鈉離子電池低速電動車亮相中科院物理所九十周年所慶 胡勇勝供圖
從“一枝獨秀”到“珠聯璧合”
歷經200余年的電池在新一輪能源革命中迎來“大浪淘沙”。二十世紀九十年代，在眾多二次電池中，鋰離子電池率先抓住機遇強勁發展。
據中關村儲能產業技術聯盟2019年統計數據顯示：在全球電化學規模儲能示范項目中，鋰離子電池的占比高達80%。
然而鋰離子電池卻面臨無法回避的“天花板”。“在二次電池中，鋰離子電池的性能雖是最好，但鋰資源的儲量有限，且70%分布在南美洲，而目前我國80%鋰資源依賴進口。鋰離子電池難以兼顧電動汽車和電網儲能兩大產業。”胡勇勝告訴《中國科學報》。
“一枝獨秀”的鋰離子電池已無法全面改變傳統能源結構，“百花齊放”的二次電池中，替代或補充鋰離子電池的儲能技術成為國際新能源技術的競爭熱點。
不僅如此，曾經的“主力隊員”鉛酸電池因其不可避免的環境污染及無法滿足新國標標準面臨“退役”問題，2019年4 月，《電動自行車安全技術規范》強制性國家標準規定電動自行車的整車質量（含電池）不高于55kg，但目前市場上鉛酸電池電動自行車重量普遍超70kg。
“目前碳酸鋰大概4萬元/噸，如果用鋰離子電池替代鉛酸電池，電動自行車的成本將大幅上漲。而碳酸鈉平均僅有2千元/噸，用鈉離子電池替代鉛酸電池的優勢顯而易見。”胡勇勝告訴記者。
在胡勇勝看來，鈉離子電池具備低成本、長壽命和高安全性能等優勢，不僅能在一定程度上成為鋰離子電池的補充，緩解鋰資源短缺的問題，還能逐步替代環境污染嚴重的鉛酸電池，保證國家能源安全和社會可持續發展。
值得一提的是，鈉離子電池巨大的儲能市場還包括光伏、風能等新能源接入儲存系統。據了解，2018年我國棄光、棄風、棄水電量共計1022億度電。胡勇勝指出：“儲能是智能電網的重要環節，鈉離子電池因其成本及資源優勢將在大規模儲能市場中大有作為。”
“此外，鈉離子電池憑借其諸多優勢還有望在低速電動車、電動船、數據中心、通訊基站、家庭/工業儲能領域快速發展。”胡勇勝表示。
鈉離子電池電動自行車在中科院物理所開展內部測試 胡勇勝供圖
中科院物理所和中科海鈉設計制造的全球首輛鈉離子電池低速電動車 胡勇勝供圖
“要做用戶最需要的”
近年來，國際領域紛紛加碼鈉離子電池研發。2020年，美國能源部明確將鈉離子電池作為儲能電池的發展體系；歐盟儲能計劃“電池2030”項目將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。
實際上，在胡勇勝團隊開展鈉離子電池研究時，雖然鈉離子電池不是熱門領域，但已有其他團隊在研究，但胡勇勝給自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用戶最需要的鈉離子電池”的目標。
“我們要做老百姓能買得起的低成本、高安全的電池。”為此，降低電池正負極材料成本成為胡勇勝團隊首先思考的重要課題。實際上，目前鋰離子電池常用的活性元素是Ni和Co，但成本較高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢？通過不斷的研究，胡勇勝團隊驚喜地發現Cu在鈉離子電池中不但具有活性，而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2，正是替代Ni和Co的“完美”元素，經過多年的探索，胡勇勝團隊最終成功研制出Cu基鈉離子層狀氧化物正級材料。
挑戰接踵而至，能否降低鈉離子電池負極材料成本呢？“當時，石墨作為成熟的鋰離子電池負極材料卻幾乎不具備儲鈉能力；無定形硬碳是眾多研究的焦點，但價格較高。通過對碳源前驅體進行調研，我們發現無煙煤的成本平均1800元/噸，如果用無煙煤制備無定形碳負極材料將有利于大幅降低電池成本。基于這樣的考慮，我們立即開始實驗，最終研制出了無煙煤基鈉離子電池負極材料。”胡勇勝回憶道。
在團隊成員、中科院物理所副研究員陸雅翔看來，成功降低鈉離子電池成本的關鍵在于敢于另辟蹊徑、大膽創新。“在當時，國內外對鈉離子電池的研究主要集中于借鑒鋰離子電池的研發思路，所以遲遲沒有突破性的進展，我們沒有跟隨大家的腳步，而是另辟蹊徑，大膽嘗試，挑戰別人忽視的、認為不可能的道路。”
在攻克鈉離子電池正負極材料成本問題后，胡勇勝團隊繼續深入挖掘鈉離子電池的其他優勢，發現鈉離子電池不僅擁有更好的安全性，在遇到零下40度的低溫時，鈉離子電池汽車還能釋放80%的電量，比鋰離子電池汽車更加“耐寒”。“此外，鈉離子電池汽車充電速度更快，僅需20分鐘，接下來將挑戰10分鐘的充電速度。”胡勇勝告訴記者。
對于電池制備而言，建立完整的生產線不僅重要而且投資巨大，值得一提的是，鈉離子電池可以直接使用鋰離子電池的生產線，無需重建。“不久前，我們使用鋰離子電池生產線生產了8萬支鈉離子電池。正因為可以直接使用鋰離子電池的生產線，鈉離子電池市場化的速度將更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我們也無比感激。“胡勇勝表示。
目前，胡勇勝團隊在鈉離子電池正負極材料、電解液等關鍵材料體系和電芯制造、裝配工藝等工程技術上都已具備完全自主研發能力，產品核心專利已獲得中國、美國、歐盟等多個國家和地區的授權。
中科院物理所和中科海鈉設計制造的全球首座百千瓦時鈉離子電池儲能電站 胡勇勝供圖
眼前有產業 腳下有科研
實際上，胡勇勝與物理所的緣分已有20年。2001年，胡勇勝便來到物理所攻讀博士學位，師從陳立泉院士，也正是這一份師生誼改變了胡勇勝未來的職業生涯。
博士畢業后，胡勇勝先后到德國和美國進修，就在完成學業之時，陳立泉聯系胡勇勝，希望他能回到物理所工作。
“我毫不猶豫地就回來了，因為我的導師和團隊凝聚力。陳老師始終心系國家能源安全，從長遠出發推動電動中國夢想的實現，不畏困難，敢于挑戰，這種家國情懷和科研精神令我敬佩。此外，陳老師滿心栽培學生，他帶領下的團隊有激情、有夢想、有情懷，我非常喜歡團隊的科研氛圍。”胡勇勝回憶道。
在當時，團隊成員都為自己設定了研究方向和目標，“做用戶最需要的鈉離子電池，這輩子只做這一件事”正是胡勇勝為自己定的目標。
“當時國內的科研條件隨著國家的發展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平臺和轉化平臺，作為科研人員，如果我們還不能做出點成績，就真的太對不起國家，對不起老師了。”胡勇勝坦言，“實際上，我也想過可能失敗，但如果大家都在觀望一個領域時，它可能是機遇，如果大家都已經開始做了，可能它就不再是機會了。”
樹立目標容易，將目標變成現實并非易事。付諸實踐的頭幾年，是胡勇勝最困難也最難忘的時光。“由于國際上關于鈉離子電池的研發并沒有實質性進展，很多要從零開始。那些年，我們每天都在挖空心思地研究鈉離子電池技術，’早晨捧著希望來，晚上帶著失望歸是常態，那是研發最困苦的時期，也是我最安靜思考且難忘的時光，這為鈉離子電池成功研發奠定了堅實的基礎。”胡勇勝回憶時感慨道。
在胡勇勝看來，產業化與做科研完全不同，“基礎研究強調前沿性，而產業化要做以用戶為導向和市場需要的產品，不能為了新而新。此外，實驗室研究階段很多問題是看不見的，而當進入工程化階段后，要保證產品的一致性和穩定性是很有挑戰的事情。”
酒香也怕巷子深，尋找投資人和合作者，為科研成果注入轉化資本，是每個科研成果轉化征程中的必經且不易之路。產業化初期，出差作報告、談合作、找廠家是胡勇勝的常態，為此他幽默地說道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”
在陸雅翔看來，不管再忙，胡勇勝都會“擠”時間思考電池的技術研究，跟團隊探討靈感和難點，“胡老師總有用不完的精力，即使再忙他都會利用零碎的時間閱讀最新文獻，關注科研最新動態，思考問題的解決方案，這種勤奮和科研熱情也激勵著團隊。”
隨著鈉離子電池產品的優越性能和低廉成本逐漸被國內外所認可，胡勇勝也從最初的主動找合作，轉變為越來越的合作“找上門”，產業化的“羊腸小道”逐漸走成了“康莊大道”。
十年磨一劍，今年，是胡勇勝團隊深耕鈉離子電池的第10年，也是中科海鈉市場化的“破曉”之刻，他對未來充滿了期待，期待鈉離子電池走進尋常百姓家，期待鈉離子電池成為守護國家能源安全的“主力軍”，“但科研是產業化的基礎，在帶領團隊產業化的同時，還必須潛心科研，為鈉離子電池實現充電更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未來夯實基礎。“
“高山仰止，景行行止，雖不能至，然心向往之。“胡勇勝感慨道。
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