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        鈉離子電池或成市場“新寵”


        來源:科學(xué)網(wǎng)

        [導(dǎo)讀]  近日中國科學(xué)院物理所研究員胡勇勝帶領(lǐng)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(fù)極,為其進一步市場化應(yīng)用提供了可能。

        中國粉體網(wǎng)訊  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,近日中國科學(xué)院物理所研究員胡勇勝帶領(lǐng)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(fù)極,為其進一步市場化應(yīng)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(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。


        無煙煤為鈉離子提供存儲空間


        研究發(fā)現(xiàn),鋰離子電池有強大的應(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。


        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產(chǎn)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(fù)極材料的成本!焙聞僬f。


        其實,胡勇勝的團隊不僅對鈉離子電池的負(fù)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(fā)現(xiàn)。


        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(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(chǎn)、應(yīng)用尚需時日,但胡勇勝已經(jīng)瞄準(zhǔn)低速電動車市場!澳壳,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!焙聞僬f,雖然鉛酸電池在價格上似乎還有一點優(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1月3日國務(wù)院正式出臺《生產(chǎn)者責(zé)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(chǎn)品實施生產(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)企業(yè)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增加。由于環(huán)保壓力及技術(shù)升級,已經(jīng)有不少生產(chǎn)鉛酸電池的主流企業(yè),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充。


        胡勇勝的團隊經(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(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。


        “也就是說如果建立了鉛酸電池的回收制度,鈉離子電池規(guī);a(chǎn)后,其成本將接近鉛酸電池!焙聞僬J(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產(chǎn)生對環(huán)境不友好的產(chǎn)物。


        前景可期


        除了瞄準(zhǔn)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(fā)布去年風(fēng)電并網(wǎng)運行情況,截至去年12月,全年新增風(fēng)電裝機1930萬千瓦,累計并網(wǎng)裝機容量達(dá)到1.49億千瓦,占全部發(fā)電裝機容量的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!斑@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。


        因為儲能電池需要數(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!白钪匾氖,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,在各類低速電動車中獲得廣泛應(yīng)用,與鋰離子電池形成互補!焙聞倌抗庵杏兴诖。


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