2017年7月初,一篇《鈉電池企業(yè)AquionEnergy破產(chǎn)都是鋰電池惹的禍?》的文章,將鈉離子電池推到了人們視野中。不難發(fā)現(xiàn),近半年來鈉離子電池的研究發(fā)展進入密集化時期,雖然還沒有進入商業(yè)化,但是鈉離子電池?zé)o疑成為鋰電池盛世下的“后起之秀”。
目前電池主要應(yīng)用在電動汽車、儲能和消費類電子等領(lǐng)域,尤其近幾年電動汽車和儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,電池特別是鋰離子電池的需求量越來越大,鋰離子電池逐漸暴露其部分局限性:一是鋰資源不足的問題;二是資源循環(huán)利用的問題。這些現(xiàn)實問題的出現(xiàn),倒逼著企業(yè)、行業(yè)來選擇儲量更豐富、材料更便宜的電池體系。在不斷的尋找中,鈉離子電池體系日益受到產(chǎn)業(yè)的關(guān)注。
德州大學(xué)達拉斯分校下屬的埃里克強森工程與計算機科學(xué)學(xué)院材料科技與工程專業(yè)的KyeongjaeCho教授表示:“鋰的價格較為昂貴,礦產(chǎn)資源有限,全球只有幾處鋰礦。但鈉就不存在礦產(chǎn)不足的問題,完全可以從海水中提取。”
華南理工大學(xué)環(huán)境和能源學(xué)院副教授熊訓(xùn)輝稱,鈉離子電池工作原理與鋰離子電池類似,都是利用離子在正負極之間嵌脫過程實現(xiàn)充放電。但前者因鈉資源豐富而成本更低,且因其電壓平臺高,安全性更高。
尋找合適的電極材料一直都是鈉離子電池發(fā)展的關(guān)鍵。
近日,鈉離子電池負極材料得到突破。熊訓(xùn)輝和美國佐治亞理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院教授劉美林等經(jīng)過不斷地研究,開發(fā)出通過商業(yè)硫化銻與氧化石墨烯與鈉溶液后混合,再通過控制結(jié)晶和燒結(jié)制備改性石墨烯與納米硫化銻的復(fù)合材料。由該材料和鈉片組裝成的半電池,在快速充放電(充放電40分鐘左右完成)900個循環(huán)后容量保持率仍高達83%。
據(jù)了解,該復(fù)合材料具有很好的循環(huán)性能,使鈉離子電池實現(xiàn)應(yīng)用邁近了一大步。
除了負極材料,正極材料也是鈉離子電池的重要戰(zhàn)場。
最近,在國家自然科學(xué)基金委、國家科技部和中科院的支持下,中國科學(xué)院化學(xué)所分子納米結(jié)構(gòu)與納米技術(shù)重點實驗室研究員郭玉國課題組的研究人員,通過材料動力學(xué)理論計算并結(jié)合實驗,突破單一金屬離子正極的限制,結(jié)合多種金屬離子優(yōu)勢,獲得綜合性能優(yōu)異的O3-NaFe0.45Co0.5Mg0.05O2正極材料。
據(jù)了解,該方法顯著提升了材料暴露在空氣中甚至浸泡在水中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和容量保持能力,降低了材料的儲存費用,促進了其實際應(yīng)用,為將來設(shè)計高性能鈉離子電池正極材料以及材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了指導(dǎo)。
正負極材料方面不斷傳來佳訊,那么鈉離子電池未來的目標(biāo)市場會在哪里呢?
中國科學(xué)院物理所研究員胡勇勝表示,未來鈉離子電池可以逐步取代鉛酸蓄電池,在各類低速電動車中獲得廣泛應(yīng)用,與鋰離子電池形成互補。
目前我國絕大多數(shù)電動自行車、電動三輪車甚至老年代步車使用鉛酸蓄電池,但由于鉛酸電池回收渠道、制度等不完善,環(huán)境污染較為嚴(yán)重。盡管鋰電池可以替代鉛酸蓄電池,但鋰資源的儲量問題,鈉離子電池成本更低等讓胡勇勝將鈉離子電池的目標(biāo)市場瞄準(zhǔn)了低速電動車市場。他還表示,將來鈉離子電池在儲能方面也會大放異彩。
隨著鈉離子電池的開發(fā)與研究,多家企業(yè)開始布局鈉離子電池以及鈉鹽儲能,超威集團就是其中的一個。
2017年年初,超威集團與美國通用電氣公司(GeneralElectricCompany,簡稱“GE”)在浙江長興舉行Durathon鈉鹽電池合資合作項目簽約儀式。雙方結(jié)合各自的產(chǎn)業(yè)、技術(shù)優(yōu)勢,共同創(chuàng)建合資公司,拓展鈉鹽電池的應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過多年研發(fā),Durathon鈉鹽電池技術(shù)實現(xiàn)了商業(yè)化,它具有產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定、安全性高(不會燃燒或爆炸)、能量密度大、使用壽命長的特性。目前,GE已經(jīng)在全球25個國家,建成了太陽能、風(fēng)電組合、峰值管理、通訊基站等儲能項目。
除了超威集團,中聚電池旗下中聚電池研究院早在2015年即發(fā)布全球首臺鈉離子電池儲能系統(tǒng)樣機。為國內(nèi)儲能型鈉離子電池的工業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
雖然鈉離子電池距離批量生產(chǎn)尚需時日,但是多家企業(yè)與研究單位都在持續(xù)的開發(fā)中。同時鈉離子電池應(yīng)用也面臨著一個問題,雖然成本較低,但是鈉的能量密度要比鋰低20%。如果不在這方面有所突破,其應(yīng)用也將受到限制。