今年上半年我国新能源汽车产销进入加速增长期

钠离子电池是什么?市场上已经有锂离子电池,钠离子电池有竞争力吗?

6月28日,全球首套1MWh钠离子电池储能系统在山西太原正式投入运营,在仪式现场,记者向中科院物理所研究员、中科海钠科技责任有限公司董事长胡勇胜提了这个问题,胡勇胜告诉记者,钠离子电池的能量密度比锂离子电池低,但是钠离子电池的安全性、经济性、工作温度、循环周期等多项指标都优于锂离子电池,更重要的是钠离子电池不含贵金属,破解了稀缺资源卡脖子难题。

石油卡脖子转变为锂资源卡脖子

随着我国汽车产业的高速发展,工业生产和百姓生活对汽柴油的需求量越来越大。但是,我国的能源结构是缺油少气,煤炭扮演着主要角色。中国工程院院士陈立泉说:“我国矿物能源的结构是煤炭占比为59%,石油为18.8%,天然气为7.8%,总结起来就是六个字:富煤、少气、缺油。”

为了满足生产、生活的需求,我国不得不大量进口石油,以至于我国的石油对外依存度长期超过警戒线。今年“两会”期间,全国政协委员,中国石化集团有限公司总经理、党组副书记,中国工程院院士马永生曾表示,2020年石油、天然气对外依存度分别攀升到73%和43%。

国际公认的警戒线是60%,我国石油对外依存度长期高于警戒线,我国存在能源安全隐患。陈立泉院士列了一组数据让人们对我国石油安全的隐患有了更清晰的认识。2018年,我国自产原油1.9亿吨,进口原油4.6亿吨,并且进口量还在不断上升,2020年我国进口原油为5.42亿吨。

发展电动汽车可以把我国交通运输领域对汽柴油的需求转换为对电力的需求,在一定程度上降低我国能源安全风险。动力电池是电动汽车最核心的部件,无论是磷酸铁锂还是三元锂电池,都必须使用大量的锂元素。

有资料显示,按全球的供给量来看,澳洲锂矿占50%,南美盐湖占40%,中国的盐湖和矿山共计10%。我国作为全球最大的电动汽车产销国,对锂资源有巨大的需求量,但是,南美洲的局势变化莫测,给我国锂资源进口蒙上一层阴影。近年来,我国与澳大利亚的关系持续紧张,锂资源供应也存在很多变数。

锂元素主要有两种来源:盐湖锂和矿山锂。盐湖开采更为容易,成本低廉,目前在产的三大盐湖:Atacama、Hombre Muerto和Olaroz,还有两个在开发盐湖Caui和Vida,均位于南美洲智利、阿根廷和玻利维亚的三国交接处。有地缘政治家曾表示,如果全世界的汽车都换成锂电池,南美洲将成为新的中东。这句话意味深长。

我国不是锂资源大国。美国地质调查局(USGS)的数据显示,中国的锂资源储量仅占全球的20%,而智利的储量占到全球一半,全球三分之二的锂集中在南美。我国的锂资源位于高海拔地区,开采条件非常艰难,也存在镁锂比很高,导致开采成本高的难题。这些困难促使国内锂电池企业更愿意进口锂资源。

2020年上半年,我国新能源汽车产销突破了10%的重要节点,产销进入加速增长期,对锂资源的需求进一步增大。然而,锂资源供应存在很多不确定性,我国存在锂资源对外依存度过高的隐患。胡勇胜说:“随着新能源汽车产销量增长,我国有可能从石油卡脖子转变为锂资源卡脖子。”

陈立泉院士还提到,目前全球探明的可供开采的锂资源储量仅能满足14.8亿辆电动汽车。2020年,我国机动车保有量达3.72亿辆,电动汽车汽车的占比还比较低,显露不出锂资源的巨大压力,随着保有量进一步攀升,锂资源供应的隐患将凸显。

三元电池在乘用车上使用量较大,并且超过磷酸铁锂电池,三元电池中含有钴和镍,这二种元素也是我国比较稀缺的资源。综合来看,电动汽车产销量越高,我国锂、钴、镍的对外依存度都将不断提高。

钠电池破解稀缺资源卡脖子难题

我们经常听到氢燃料电池、锂电池,氢和锂都位于元素周期表的第一列,记者注意到钠元素也位于第一列,氢的原子量为1,锂的原子量是7,钠的原子量为23。胡勇胜告诉记者,如果只考虑能量密度,氢元素最高,但燃料电池的使用并没有锂电池广泛,商业应用还要考虑安全性,经济性,生产工艺等。钠电池的能量密度比锂电池低,但是,安全性,经济性,生产工艺、环境友好等都比锂电池有较高的优势。

我国已制定一系列标准检验动力电池是否合格,挤压、短路等都是检测项目,钠离子电池经受住了所有的考验。胡勇胜告诉记者:“钠离子电池已通过中汽中心的检测,针刺时不冒烟、不起火、不爆炸,经受短路、过充、过放、挤压等实验,钠离子电池也不起火燃烧。”

安全具有一票否决权,各国对锂电池的使用安全极为重视,但全球锂电池在使用过程中仍然发生多起起火事故,电动汽车起火已不计其数,储能电站起火导致的事故比较严重,更加受到关注。据不完全统计,2011-2021年间,全球共发生32起储能电站起火爆炸事故,其中,日本1起、美国2起、比利时1起、中国3起、韩国24起。这些起火爆炸的储能电站全部使用锂电池。

前不久公布的《新型储能项目管理规范(暂行)》征求意见稿第十四条明确透露出原则上不再新建梯次利用储能电站。有业内人士告诉记者,丰台储能电站起火事故让决策层非常谨慎,这等于否定了动力电池在储能上的梯次利用。

锂电池还很骄贵,不能过充,也不能过放,这对BMS提出了较高的要求。以往我国发生的多起电动汽车起火事故,部分原因是电动汽车充满之后没有及时拨枪,导致过充。钠离子电池也不能过充,但可以过放,即把电池中的电量全部放完,这有利于BMS调整电池的一致性。

据介绍,锂电池使用一段时间之后,各个电芯充放电情况不同,导致出现各电芯容量不同的状态,需要通过BMS进行调控才能确保一致性。如果钠离子电池中的电芯出现容量差,可以把整个电池包的电量放完,让所有的电芯归零后处于同一水平,BMS一致性的调控变得相对简单。钠离子电池可以过放的特性,在电池运输上特别有用,不带电运输极大地降低发生事故的概率。

钠离子电池中没有贵重金属,钠元素也是大自然含量极其丰富的资源,这注定了钠离子电池电池的成本比锂电池低。陈立泉说:“锂在地球中的占比仅为0.0065%,钠为2.75%,地球中有丰富的钠资源,海洋中就有大量的钠盐。资源秉性也注定了钠离子的经济性好于锂离子。”

钠离子电池的能量密度低于锂电池,但功率密度、宽温和循环寿命等方面也具有独特的优势。据介绍,钠离子电池的能量密度已达到145Wh/kg,比磷酸铁锂的180 Wh/kg低一些,远高于铅酸电池的30 Wh/kg。钠离子电池的工作温度为-30℃~55℃,比磷酸铁锂优秀,循环4500次以上,这个成绩高于磷酸铁锂。

十年磨一剑

胡勇胜不是第一位研究钠离子电池的科学家,十年磨一剑,胡勇胜带领的团队专注于此,最早拿出科研成果走向商业化。6月28日,全球首套1MWh钠离子电池储能系统在山西太原正式投入运营,这标志着我国钠离子电池储能在世界上取得领先地位。山西太原正式投入运行的储能系统也将为制定钠离子电池储能的国际标准积累经验和数据。

胡勇胜下决心研究钠离子电池的时候,关注过国外同行的研究情况,他发现,国外同行在研究钠离子电池时受锂离子电池的影响太大,正极材料使用镍、钴、锰,这种做法没有前途,如果仅把目前锂离子电池体系的锂元素替换成钠元素,钠离子电池的成本只能比锂离子电池成本降低5%~10%,而钠离子电池的能量密度比锂离子电池低,重量也比锂电池重,这注定钠电池没有明显的优势。

胡勇胜通过研究发现铜在钠离子电池中不但具有活性,而且铜的成本比钴和镍都低,既有活性成本又低,这恰恰是胡勇胜不断寻求的替代材料,经过不断摸索,胡勇胜带领团队最终成功研制出Cu基钠离子层状氧化物正级材料。

解决了正极材料还不算成功,负极材料的难关也要攻克。锂电池普遍采用石墨作为负极材料,但胡勇胜研发的钠离子电池使用了更便宜的软碳材料。据介绍,钠离子电池用成本更加低廉的无烟煤作为前驱体,通过简单的粉碎和一步碳化得到了一种具有优异储钠性能的碳负极材料。

胡勇胜告诉记者,这辈子就干这一件事,为新能源产业做一点微薄的贡献。全球首套1MWh钠离子电池储能系统投入运行之后,一条2000吨的材料生产线正在建设之中。胡勇胜的团队能够迈出钠离子电池商业化步伐,利益于前几年在江苏溧阳建设了一条试验线,积累了一定的经验。

全球首套1MWh钠离子电池储能系统正式投入运行,将有力地推动我国新能源产业快步向前,更重要的是钠离子电池破解了稀缺资源卡脖子难题。(万仁美)

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