2023鈉電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈會議暨企業(yè)家峰會現(xiàn)場
電池百人會-電池網(wǎng)7月28日訊（肖何 梁小婧 江蘇無錫報道）7月28日，由江蘇省貿(mào)促會指導(dǎo)，無錫市錫山區(qū)人民政府、無錫市貿(mào)促會主辦，中關(guān)村新型電池技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟、中國電池網(wǎng)承辦的2023鈉電池產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈會議暨企業(yè)家峰會在無錫錫山區(qū)召開。本次會議以“電車鈉紀元，產(chǎn)業(yè)新動能”為主題，深度聚焦電池新能源產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)、深度解讀應(yīng)用前景及未來趨勢，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供新思路、新動力，推進優(yōu)質(zhì)項目投資活動，力爭打造有價值、高規(guī)格、有影響力的電池新能源產(chǎn)業(yè)交流平臺。
俄羅斯工程院外籍院士/哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波
28日下午，俄羅斯工程院外籍院士/哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授王振波在會上發(fā)表了題為《“雙碳”目標驅(qū)動下的鈉離子電池技術(shù)進展》的主題演講，分享了鈉離子電池電極材料的特性與優(yōu)化策略、鈉離子電池電解質(zhì)材料的研究進展、鈉離子全電池的發(fā)展趨勢與市場需求、寬溫域和高功率鈉離子電池技術(shù)進展等，電池網(wǎng)摘選了其部分精彩觀點，以饗讀者：
王振波介紹，相對于其他儲能形式，電化學(xué)儲能在規(guī)模和場地上擁有較好的靈活性和適應(yīng)性，同時在調(diào)度響應(yīng)速度、控制精度、電力系統(tǒng)調(diào)頻以及建設(shè)周期多方面具有比較明顯的優(yōu)勢。因此，電化學(xué)儲能在近兩年儲能市場發(fā)展勢頭強勁，具有廣闊的應(yīng)用前景。
“在化學(xué)儲能過程中不一定就是鋰離子電池，還有很多其他的電池，比如鉛酸、鎳氫、鉻鎳、釩等等，它們的性能是不一樣的，在這當中鋰的性能是最好的。”王振波分析稱，鋰的性能雖好，但地球上鋰資源的儲量是有限的，鋰資源的價格也在上漲，回收布局還沒有達到預(yù)期目標，因此，性能好但成本高的鋰離子電池難以支撐起未來高速發(fā)展的經(jīng)濟社會所需的海量能源供應(yīng)與儲存。相比之下，鈉資源儲量豐富、價格低廉，研發(fā)鈉離子電池作為一部分鋰離子電池的替用品可以緩解市場需求。
鈉電池發(fā)展契機：高性價比 補充鋰電
在王振波看來，鈉離子電池性能不算最優(yōu)，但制造成本低于鋰電，具有高“性價比”；鈉離子電池的生產(chǎn)可沿用鋰電生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備，企業(yè)轉(zhuǎn)型的速度快、成本低。
“從70年代一直到現(xiàn)在，我們一直在做鈉離子電池，但是相對鋰來說進展還是慢的。”王振波介紹，鈉離子電池的發(fā)展幾乎與鋰離子電池同時起步，但由于鋰電池的成功商用化，鈉電的研究被擱置。而實際上，鈉電的性能雖不能比肩鋰電，但是可以滿足日常使用的，并且其規(guī)模化后的成本要低于鋰電，換言之，鈉電具有更高的性價比，這將是促使鈉電產(chǎn)業(yè)化的重大契機。
從產(chǎn)業(yè)進程來看，目前鈉電相當于20年前的鋰電，參照鋰電發(fā)展藍圖，市場潛力巨大。
從制造工藝來看，制造設(shè)備可沿用鋰電現(xiàn)有產(chǎn)線，制造成本低，電池廠無重置成本。
從產(chǎn)品性能來看，循環(huán)壽命、安全性、倍率性能、高低溫性能不弱于各類鋰離子電池。
從應(yīng)用場景來看，電芯成本低，性價比高，適合對能量密度要求不高但看重成本的場景。
通過以上維度比較，王振波指出，“我們要考慮鈉電自身的特點，在補充鋰電、替代鉛酸上做工作。”其分析稱，與成熟的鋰電、鉛酸電池體系相比，鈉電的能量密度比鋰電稍差，但優(yōu)于鉛酸。由此看來，鈉電有希望逐步取代鉛酸電池，同時能夠緩解市場對鋰電的需求。例如，對體積、重量不甚敏感的儲能電站、中低速電動車等。
鈉電池材料：多線并存 共同發(fā)展
王振波介紹，鈉電主要由正極、負極、電解質(zhì)三大核心部分組成，這三大組成很大程度上決定了電池的各方面性質(zhì)。因而，在理論研究和工廠的實踐論證中，各類正極都有涉獵，每條線路中再分別解決對應(yīng)材料的短板。
鈉電正極材料主要分為四種，各有優(yōu)劣：過渡金屬層狀氧化物（容量大，衰減快）、普魯士藍型化合物（循環(huán)好，制備難）、聚陰離子型化合物（循環(huán)好，導(dǎo)電差）、有機小分子化合物（種類多，易失效）。
具體來看，與鋰電不同，鈉電中的層狀氧化物正極的循環(huán)性能較差。這是因為鈉離子的半徑更大，在材料中的嵌脫更為困難，因此表現(xiàn)出較差的性能。改進策略一是通過材料成分調(diào)節(jié)，抑制不可逆相變，可以提升循環(huán)性能；二是通過材料成分調(diào)節(jié)，減少Ni的用量，可以進一步降低成本；三是對氧、水分敏感，易受到外部環(huán)境誘導(dǎo)發(fā)生結(jié)構(gòu)、性能退化。
普魯士藍類材料具有空曠的晶體結(jié)構(gòu)，鈉離子嵌脫高度可逆，因而理論上可以實現(xiàn)優(yōu)秀的循環(huán)、倍率性能。但缺點是，材料中的結(jié)晶水會影響材料的各方面性能，因而對制備條件要求嚴格。普魯士藍類材料通過改變金屬元素種類，可以調(diào)節(jié)材料的電壓、比容量，另外通過調(diào)節(jié)材料中結(jié)晶水的含量，可以改善循環(huán)、倍率性能。
聚陰離子型材料同樣具有空曠的三維結(jié)構(gòu)，理論上也可以實現(xiàn)很好的性能。但最大的缺點是電子導(dǎo)電性差，必須通過改性才能應(yīng)用，可通過調(diào)整金屬元素種類、陰離子種類，提升材料的電壓；通過錳、鐵等元素取代價格高的金屬元素，降低材料成本。
有機物正極的種類紛繁，因而有許多有機物正極可供選擇。但是，有機物溶于有機電解液，這會給電池的穩(wěn)定運行帶來較大的不確定性。因此，這類正極材料仍在研究和改性中，暫時沒有工廠實踐論證其作為正極材料的可行性。
鈉電負極材料方面，王振波介紹，也可分為四種：碳材料 （成本低，導(dǎo)電性高）、相轉(zhuǎn)化材料（容量高，導(dǎo)電性差）、鈦基化合物（穩(wěn)定性好，導(dǎo)電性差）、合金化材料（容量高，穩(wěn)定性差）。
根據(jù)鋰離子電池發(fā)展的經(jīng)驗，碳材料被研究者最為看好。特別是熱解無煙煤產(chǎn)生的硬碳負極材料，既具有成本低的優(yōu)勢，也具有很好的電化學(xué)性質(zhì)。這一高性價比的特點正好契合了鈉電低成本的發(fā)展理念。
相轉(zhuǎn)變型鈉電負極成本低，但是不可逆容量大。距離實際應(yīng)用，仍需要優(yōu)化材料與電解液的兼容性，進一步提升首次效率。
鈦基化合物負極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較高的理論容量。但缺點是材料的制備過程復(fù)雜，且材料自身存在電子電導(dǎo)差的問題，因此綜合性能都不如無煙煤衍生的碳負極。
合金負極理論容量高，但是工作過程中的體積膨脹容易造成材料粉化失效，因而性能衰減嚴重，不利于長期的電池使用過程。
綜合來看，鈉電負極最有應(yīng)用前景的負極材料是無煙煤熱解得到的碳材料。對于另幾種負極材料，則需要進一步地補齊短板，特別是提升材料的電子電導(dǎo)和倍率性能。
會上，王振波還提出了鈉離子電池負極材料的改性策略：一是形貌調(diào)控。納米化，縮短離子擴散路徑；陣列化，提供直接快速的離子傳輸通道；二是包覆或摻雜改性。摻雜碳、石墨烯、金屬等導(dǎo)電性良好的物質(zhì)進行改性；缺陷摻雜改性；三是晶格調(diào)控與組分優(yōu)化。優(yōu)化材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，復(fù)合功能材料，發(fā)揮1+1>2的協(xié)同作用。
鈉電電解液方面，目前，多數(shù)研究者們傾向于使用有機電解質(zhì)。這是因為有機電解質(zhì)的電化學(xué)穩(wěn)定窗口更寬，可達到4伏。因而，使用有機電解質(zhì)更可能實現(xiàn)更高的能量密度。目前，研究者多使用碳酸酯類的有機電解液。
王振波提出，通過調(diào)節(jié)電解液的組分、比例，可以影響電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，進而形成穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面，從而提升電池的各方面性能。其中，SEI膜-電極的關(guān)系近似固-固界面，通過調(diào)節(jié)電解液組分（鹽、溶劑、添加劑）以調(diào)節(jié)SEI膜可以優(yōu)化電池性能。電解液的組成會改變電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，從而影響界面的去/溶劑化行為。離子-溶劑化結(jié)構(gòu)與界面行為能顯著影響電池性能。調(diào)節(jié)電解液體相溶劑化結(jié)構(gòu)，改善去/溶劑化行為的動力學(xué)已成為研究熱點。
此外，相對于鋰電，人們發(fā)現(xiàn)醚類電解質(zhì)在鈉離子電池中更耐高壓，形成的固態(tài)電解質(zhì)界面相也具有更好的界面穩(wěn)定性和界面離子傳輸動力學(xué)。缺點則是醚類電解質(zhì)的成本較高。因而，如果能降低電解質(zhì)成本的話，醚類電解質(zhì)的應(yīng)用將有利于進一步提升鈉電的性能優(yōu)勢。
鈉電池發(fā)展前景：適逢機遇 勢在必行
“前面我們談到的，都是如何選擇優(yōu)化電池材料。而實際上，電池是作為整體存在的。因此，匹配好正負極和電解質(zhì)，是實現(xiàn)優(yōu)秀的鈉離子電池體系的另一重點。據(jù)報道，合理的電池設(shè)計已經(jīng)能使得鈉離子全電池循環(huán)5000次以上，已經(jīng)達到電池的商用標準。”王振波分析稱，“在寬溫域上，鈉離子電池未來想要發(fā)展要克服它自身的先天不足，拿自己的短板沒法和別人的長處去比，所以要把自己的內(nèi)功做好，低溫性能、寬溫域做好就可以和鋰電比拼了，另外它的倍率性能也是不錯的，充電時間短就可以占領(lǐng)更多的市場。”
為了提升鈉電在不同工況下的可靠性，對標鋰電池、鉛酸電池等優(yōu)秀電池體系，王振波建議，需盡可能地拓寬鈉電的工作溫度范圍，提升其在儲能領(lǐng)域的競爭力。同時，考慮到鈉離子電池可能應(yīng)用在中低速電動車上。十分有必要考慮到電池快充、以及續(xù)航歷程的問題。
為了獲得寬溫域、高功率的鈉電體系，王振波及其團隊提出了相關(guān)技術(shù)路線：先研究材料，后優(yōu)化電極/電解質(zhì)的相容性，再探究不同工況下電池的性能，最后通過優(yōu)化全電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化電池在全工況下的綜合性能。具體研究思路是：
（1）篩選電池正極、負極材料，進行粒度、孔徑、組成、結(jié)構(gòu)等層面上的優(yōu)化改性；
（2）匹配電解質(zhì)材料，優(yōu)化電解質(zhì)組成、濃度、溶劑化構(gòu)型，輔以功能性添加劑；
（3）研究以電極為主體，以界面、電解質(zhì)為重要組成部分的電極體系在不同溫濕度環(huán)境、不同充放電條件下的電化學(xué)儲能特性，以反饋優(yōu)化電池體系的設(shè)計；
（4）組裝圓柱/方形鋁殼電池，進一步評價及反饋優(yōu)化全電池的組成與結(jié)構(gòu)，以期在提升鈉離子全電池的能量密度、循環(huán)壽命的同時，控制電池成本；
（5）在平衡性能與成本的基礎(chǔ)上，復(fù)合超級電容器等器件，以改善電池功率特性。
最后，關(guān)于鈉離子電池的發(fā)展前景，王振波認為，可以歸結(jié)為八個字：適逢機遇，勢在必行。鈉電池在光伏儲能、5G和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的移動電源、便攜式后備電源等儲能市場，以及電動兩輪車、三輪車、低速電動車等輕型動力市場潛力巨大。“鈉離子電池整個在市場的情況，需求應(yīng)該是巨大的，潛力是巨大的，無錫錫山區(qū)除了兩輪車，還有三輪、四輪，那么多的車足夠我們?nèi)グl(fā)展了。”
（以上觀點根據(jù)論壇現(xiàn)場速記整理，未經(jīng)發(fā)言者本人審閱。）
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