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(huán)次數(shù)較少因素未能成為市場的“寵兒”。

不過，近日我國科學(xué)院物理所研究員胡勇勝帶領(lǐng)團(tuán)隊給鈉離子電池的市場帶來了一針“強(qiáng)心劑”。他的團(tuán)隊成功利用無煙煤制作出鈉離子電池負(fù)極，為其進(jìn)一步市場化應(yīng)用供應(yīng)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(fā)展起來的。但鈉離子電池卻一直發(fā)展遲滯，其重要原因就是沒有找到合適的負(fù)極材料，讓鈉離子變身為低成本、可實際應(yīng)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(zhì)。

鑒于此，科學(xué)家們從未放棄對鈉離子電池的研究。

無煙煤為鈉離子供應(yīng)存儲空間

研究發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池有強(qiáng)大的應(yīng)用領(lǐng)域，更多是緣于石墨屬于高度有序的碳材料，它有低而平穩(wěn)的充放電電位平臺，具有充放電容量大且效率高、循環(huán)性能好的優(yōu)點(diǎn)。

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(fù)極材料中，目前硬碳材料的電化學(xué)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(fā)，硬碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石墨。于是，經(jīng)過幾番試驗，胡勇勝發(fā)現(xiàn)，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(fù)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(chǎn)碳率高達(dá)90%，其裂解過程本身也很少有污染物出現(xiàn)，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(fù)極材料的成本。”胡勇勝對記者表示。

其實，胡勇勝的團(tuán)隊不僅對鈉離子電池的負(fù)極材料進(jìn)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(fā)現(xiàn)。

目前，鋰離子電池的正極材料往往含有鎳和鈷，假如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(jīng)過對銅鐵錳基氧化物材料的試驗后，胡勇勝發(fā)現(xiàn)，在層狀材料中加入銅，可以提高材料的導(dǎo)電性，另外含銅系列的化合物不怕水，在空氣中相對穩(wěn)定，“這對電池應(yīng)用來說非常重要，因為材料吸水會遇到一系列的問題，會新增材料成本”。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”低速電動汽車市場

雖然鈉離子電池距離批量生產(chǎn)、應(yīng)用尚需時日，但胡勇勝已經(jīng)瞄準(zhǔn)低速電動汽車市場。“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(diǎn)優(yōu)勢，但因為國內(nèi)一直沒有建立起完善的回收制度，其帶來的環(huán)境污染隱患同樣無法忽視。

幾年前，國家就開始關(guān)注鉛酸電池污染一事，并于今年一月三日國務(wù)院正式出臺《生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度推行方法》，率先確定對電器電子、汽車、鉛酸蓄電池和包裝物等4類產(chǎn)品執(zhí)行生產(chǎn)者責(zé)任延伸制度：以誰生產(chǎn)誰負(fù)責(zé)、誰污染誰負(fù)責(zé)的原則建立回收體系，鉛酸電池生產(chǎn)公司只圖利而對污染不負(fù)責(zé)任的時代即將結(jié)束。

“回收制度建立后，鉛酸電池的成本勢必會新增。由于環(huán)保壓力及技術(shù)升級，已經(jīng)有不少生產(chǎn)鉛酸電池的主流公司，開始涉足生產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域卻非常廣闊，除了眾所周知的電池行業(yè)，陶瓷、玻璃、潤滑劑、制冷液、核工業(yè)以及光電等行業(yè)都對鋰有需求。胡勇勝認(rèn)為，鈉離子電池的出現(xiàn)有望在一定程度上緩解因鋰資源短缺引發(fā)的發(fā)展受限問題，是鋰離子電池有益的補(bǔ)充。

胡勇勝的團(tuán)隊經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)：若以銅鐵錳基氧化物為正極，無煙煤基軟碳為負(fù)極，鈉離子電池的能量密度達(dá)到100Wh/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(huán)數(shù)已達(dá)500次以上，優(yōu)于鉛酸電池，能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)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。

“也就是說假如建立了鉛酸電池的回收制度，鈉離子電池規(guī)模化生產(chǎn)后，其成本將接近鉛酸電池。”胡勇勝認(rèn)為，更重要的是，以銅鐵錳為正極的鈉離子電池在生產(chǎn)過程以及回收過程中都不會出現(xiàn)對環(huán)境不友好的產(chǎn)物。

前景可期

除了瞄準(zhǔn)低速電動汽車市場，胡勇勝還期待，鈉離子電池能在儲能方面大放異彩。

近日，國家能源局公布去年風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行情況，截至去年十二月，全年新增風(fēng)電裝機(jī)1930萬千瓦，累計并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到1.49億千瓦，占全部發(fā)電裝機(jī)容量的9%，風(fēng)電發(fā)電量2410億千瓦時，占全部發(fā)電量的4%。

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

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

鈉離子電池的發(fā)展卻讓儲能電池成為可能。在胡勇勝看來，“當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到5000次時，鈉離子電池就可以考慮向儲能電池行業(yè)發(fā)展”。

胡勇勝進(jìn)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(chǎn)工藝相當(dāng)環(huán)保，不會對環(huán)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(dān)心鋰離子電池的過放現(xiàn)象。“最重要的是，鈉離子電池的生產(chǎn)可以沿用現(xiàn)有鋰離子電池生產(chǎn)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，在各類低速電動汽車中獲得廣泛應(yīng)用，與鋰離子電池形成互補(bǔ)。”胡勇勝目光中有所期待。