钠离子电池或成市场“新宠”

在电池这个庞大的家族中,相比人们熟知的锂离子电池、铅酸电池,镍镉电池、钠离子电池等因储能容量受限、循环次数较少因素未能成为市场的“宠儿”。

不过,近日中国科学院物理所研究员胡勇胜带领团队给钠离子电池的市场带来了一针“强心剂”。他的团队成功利用无烟煤制作出钠离子电池负极,为其进一步市场化应用提供了可能。

其实,钠离子电池与锂离子电池是同属于一个时期发展起来的。但钠离子电池却一直发展迟滞,其重要原因就是没有找到合适的负极材料,让钠离子变身为低成本、可实际应用的电池。

但是实际上,与锂相比,钠储量丰富、分布广泛、成本低廉,并且与锂具有相似的理化性质。

鉴于此,科学家们从未放弃对钠离子电池的研究。

无烟煤为钠离子提供存储空间

研究发现,锂离子电池有强大的应用领域,更多是缘于石墨属于高度有序的碳材料,它有低而平稳的充放电电位平台,具有充放电容量大且效率高、循环性能好的优点。

但石墨却并不适用于钠离子,因为钠离子只有在无序的硬碳材料中才能“大展身手”。并且,“在众多的负极材料中,目前硬碳材料的电化学性能最好”。

作为新能源材料的研究者,胡勇胜一直致力于钠离子电池的研究。

不过,从成本角度出发,硬碳远远高于石墨。于是,经过几番试验,胡勇胜发现,通过裂解无烟煤可以得到一种软碳材料,可以将其作为钠离子电池负极材料。

“我们先将无烟煤粉碎,然后加热到一定的温度,就可以获得无序的软碳材料。再者,因为无烟煤的产碳率高达90%,其裂解过程本身也很少有污染物产生,最重要的是使用无烟煤作为原料,能够大大降低钠离子电池负极材料的成本。”胡勇胜对《中国科学报》记者表示。

其实,胡勇胜的团队不仅对钠离子电池的负极材料进行开拓性研究,在2015年,他们在钠离子电池的正极材料研究中也有新发现。

目前,锂离子电池的正极材料往往含有镍和钴,如果钠离子电池正极材料也同样使用镍和钴,成本的下降空间有限,所以寻找新材料替代镍与钴势在必行。

在经过对铜铁锰基氧化物材料的试验后,胡勇胜发现,在层状材料中加入铜,可以提高材料的导电性,另外含铜系列的化合物不怕水,在空气中相对稳定,“这对电池应用来说非常重要,因为材料吸水会遇到一系列的问题,会增加材料成本”。

胡勇胜说,最终铜铁锰成为钠离子电池正极材料的理想选择。

“相中”低速电动车市场

虽然钠离子电池距离批量生产、应用尚需时日,但胡勇胜已经瞄准低速电动车市场。“目前,我国绝大多数电动自行车、电动三轮车甚至老年代步车的电池使用的均为铅酸电池。”胡勇胜说,虽然铅酸电池在价格上似乎还有一点优势,但因为国内一直没有建立起完善的回收制度,其带来的环境污染隐患同样无法忽视。

几年前,国家就开始关注铅酸电池污染一事,并于今年1月3日国务院正式出台《生产者责任延伸制度推行方案》,率先确定对电器电子、汽车、铅酸蓄电池和包装物等4类产品实施生产者责任延伸制度:以谁生产谁负责、谁污染谁负责的原则建立回收体系,铅酸电池生产企业只图利而对污染不负责任的时代即将结束。

“回收制度建立后,铅酸电池的成本势必会增加。由于环保压力及技术升级,已经有不少生产铅酸电池的主流企业,开始涉足生产锂离子电池。”胡勇胜提到。

但地球上可开采的锂资源的储量有限,锂的应用领域却非常广阔,除了众所周知的电池行业,陶瓷、玻璃、润滑剂、制冷液、核工业以及光电等行业都对锂有需求。

胡勇胜认为,钠离子电池的出现有望在一定程度上缓解因锂资源短缺引发的发展受限问题,是锂离子电池有益的补充。

胡勇胜的团队经过测试发现:若以铜铁锰基氧化物为正极,无烟煤基软碳为负极,钠离子电池的能量密度达到100 Wh/kg。虽然看起来尚不如锂离子电池,但已是铅酸电池的两倍多。

同时,实验室Ah级电池的充放电循环数已达500次以上,优于铅酸电池,能量转换效率高达90%,低温性能良好(-20℃放电容量是室温放电容量的86%),并通过了一系列针刺、挤压、短路、过充、过放等适于锂离子电池的安全试验。

而且其材料成本却比锂离子电池低40%左右。

“也就是说如果建立了铅酸电池的回收制度,钠离子电池规模化生产后,其成本将接近铅酸电池。”胡勇胜认为,更重要的是,以铜铁锰为正极的钠离子电池在生产过程以及回收过程中都不会产生对环境不友好的产物。

前景可期

除了瞄准低速电动车市场,胡勇胜还期待,钠离子电池能在储能方面大放异彩。

近日,国家能源局发布去年风电并网运行情况,截至去年12月,全年新增风电装机1930万千瓦,累计并网装机容量达到1.49亿千瓦,占全部发电装机容量的9%,风电发电量2410亿千瓦时,占全部发电量的4%。

不过,去年弃风电量也高达497亿千瓦时。“这就是缘于目前缺乏合适的大规模储能技术。”胡勇胜有些惋惜。

因为储能电池需要数量众多,因此就要求其成本不能过高,而其安全性与稳定性也是考量因素。而锂资源稀缺的现状,更使其难以成为大规模的储能电池的“中意者”。

钠离子电池的发展却让储能电池成为可能。在胡勇胜看来,“当循环次数达到5000次时,钠离子电池就可以考虑向储能电池行业发展”。

胡勇胜进一步解释:首先,钠在地球的储量相对丰富,成本较低;其次,这种电池的材料及生产工艺相当环保,不会对环境造成污染;第三,它的使用比较安全;第四,钠离子电池可以将电完全放空,不用担心锂离子电池的过放现象。

“最重要的是,钠离子电池的生产可以沿用现有锂离子电池生产工序和装备,无需另起炉灶。”

“未来钠离子电池可以逐步取代铅酸电池,在各类低速电动车中获得广泛应用,与锂离子电池形成互补。”胡勇胜目光中有所期待。

来源:news.sciencenet.cn

标签:电池

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