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鈉離子電池或成市場“新寵”

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在電池這個龐大的家族中,相比人們熟知的鋰離子電池、鉛酸電池,鎳鎘電池、鈉離子電池等因儲能容量受限、循環次數較少因素未能成為市場的“寵兒”。

不過,近日中國科學院物理所研究員胡勇勝帶領團隊給鈉離子電池的市場帶來了一針“強心劑”。他的團隊成功利用無煙煤制作出鈉離子電池負極,為其進一步市場化應用提供了可能。

其實,鈉離子電池與鋰離子電池是同屬于一個時期發展起來的。但鈉離子電池卻一直發展遲滯,其重要原因就是沒有找到合適的負極材料,讓鈉離子變身為低成本、可實際應用的電池。但是實際上,與鋰相比,鈉儲量豐富、分布廣泛、成本低廉,并且與鋰具有相似的理化性質。

鑒于此,科學家們從未放棄對鈉離子電池的研究。

無煙煤為鈉離子提供存儲空間

研究發現,鋰離子電池有強大的應用領域,更多是緣于石墨屬于高度有序的碳材料,它有低而平穩的充放電電位平臺,具有充放電容量大且效率高、循環性能好的優點。

但石墨卻并不適用于鈉離子,因為鈉離子只有在無序的硬碳材料中才能“大展身手”。并且,“在眾多的負極材料中,目前硬碳材料的電化學性能最好”。作為新能源材料的研究者,胡勇勝一直致力于鈉離子電池的研究。

不過,從成本角度出發,硬碳遠遠高于石墨。于是,經過幾番試驗,胡勇勝發現,通過裂解無煙煤可以得到一種軟碳材料,可以將其作為鈉離子電池負極材料。

“我們先將無煙煤粉碎,然后加熱到一定的溫度,就可以獲得無序的軟碳材料。再者,因為無煙煤的產碳率高達90%,其裂解過程本身也很少有污染物產生,最重要的是使用無煙煤作為原料,能夠大大降低鈉離子電池負極材料的成本。”胡勇勝對《中國科學報》記者表示。

其實,胡勇勝的團隊不僅對鈉離子電池的負極材料進行開拓性研究,在2015年,他們在鈉離子電池的正極材料研究中也有新發現。

目前,鋰離子電池的正極材料往往含有鎳和鈷,如果鈉離子電池正極材料也同樣使用鎳和鈷,成本的下降空間有限,所以尋找新材料替代鎳與鈷勢在必行。

在經過對銅鐵錳基氧化物材料的試驗后,胡勇勝發現,在層狀材料中加入銅,可以提高材料的導電性,另外含銅系列的化合物不怕水,在空氣中相對穩定,“這對電池應用來說非常重要,因為材料吸水會遇到一系列的問題,會增加材料成本”。胡勇勝說,最終銅鐵錳成為鈉離子電池正極材料的理想選擇。

“相中”低速電動車市場

雖然鈉離子電池距離批量生產、應用尚需時日,但胡勇勝已經瞄準低速電動車市場。“目前,我國絕大多數電動自行車、電動三輪車甚至老年代步車的電池使用的均為鉛酸電池。”胡勇勝說,雖然鉛酸電池在價格上似乎還有一點優勢,但因為國內一直沒有建立起完善的回收制度,其帶來的環境污染隱患同樣無法忽視。

幾年前,國家就開始關注鉛酸電池污染一事,并于今年1月3日國務院正式出臺《生產者責任延伸制度推行方案》,率先確定對電器電子、汽車、鉛酸蓄電池和包裝物等4類產品實施生產者責任延伸制度:以誰生產誰負責、誰污染誰負責的原則建立回收體系,鉛酸電池生產企業只圖利而對污染不負責任的時代即將結束。

“回收制度建立后,鉛酸電池的成本勢必會增加。由于環保壓力及技術升級,已經有不少生產鉛酸電池的主流企業,開始涉足生產鋰離子電池。”胡勇勝提到。

但地球上可開采的鋰資源的儲量有限,鋰的應用領域卻非常廣闊,除了眾所周知的電池行業,陶瓷、玻璃、潤滑劑、制冷液、核工業以及光電等行業都對鋰有需求。胡勇勝認為,鈉離子電池的出現有望在一定程度上緩解因鋰資源短缺引發的發展受限問題,是鋰離子電池有益的補充。

胡勇勝的團隊經過測試發現:若以銅鐵錳基氧化物為正極,無煙煤基軟碳為負極,鈉離子電池的能量密度達到100 Wh/kg。雖然看起來尚不如鋰離子電池,但已是鉛酸電池的兩倍多。同時,實驗室Ah級電池的充放電循環數已達500次以上,優于鉛酸電池,能量轉換效率高達90%,低溫性能良好(-20℃放電容量是室溫放電容量的86%),并通過了一系列針刺、擠壓、短路、過充、過放等適于鋰離子電池的安全試驗。而且其材料成本卻比鋰離子電池低40%左右。

“也就是說如果建立了鉛酸電池的回收制度,鈉離子電池規模化生產后,其成本將接近鉛酸電池。”胡勇勝認為,更重要的是,以銅鐵錳為正極的鈉離子電池在生產過程以及回收過程中都不會產生對環境不友好的產物。

前景可期

除了瞄準低速電動車市場,胡勇勝還期待,鈉離子電池能在儲能方面大放異彩。

近日,國家能源局發布去年風電并網運行情況,截至去年12月,全年新增風電裝機1930萬千瓦,累計并網裝機容量達到1.49億千瓦,占全部發電裝機容量的9%,風電發電量2410億千瓦時,占全部發電量的4%。

不過,去年棄風電量也高達497億千瓦時。“這就是緣于目前缺乏合適的大規模儲能技術。”胡勇勝有些惋惜。

因為儲能電池需要數量眾多,因此就要求其成本不能過高,而其安全性與穩定性也是考量因素。而鋰資源稀缺的現狀,更使其難以成為大規模的儲能電池的“中意者”。

鈉離子電池的發展卻讓儲能電池成為可能。在胡勇勝看來,“當循環次數達到5000次時,鈉離子電池就可以考慮向儲能電池行業發展”。

胡勇勝進一步解釋:首先,鈉在地球的儲量相對豐富,成本較低;其次,這種電池的材料及生產工藝相當環保,不會對環境造成污染;第三,它的使用比較安全;第四,鈉離子電池可以將電完全放空,不用擔心鋰離子電池的過放現象。“最重要的是,鈉離子電池的生產可以沿用現有鋰離子電池生產工序和裝備,無需另起爐灶。”

“未來鈉離子電池可以逐步取代鉛酸電池,在各類低速電動車中獲得廣泛應用,與鋰離子電池形成互補。”胡勇勝目光中有所期待。

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責任編輯: 閆月

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