二次电池革命

本文转自：北京日报

本报记者 牛伟坤

在过去半个多世纪里，锂离子电池始终一枝独秀，几乎垄断了整个市场。

近年来，它的地位却因为“钠离子电池”的快速发展而被撼动——十多年前，中国科学院物理研究所研究员胡勇胜将研究的重点投入到这一冷门领域，从全球首辆钠离子电池低速电动车，到全球首座100千瓦时钠离子电池储能电站，再到全球首条钠离子电池生产线，他带领团队掀起了二次电池领域新的浪潮。

“人这一辈子，很少能有机会做一件开创性的事。”在胡勇胜看来，钠离子电池研究不仅给了他在学术上进行自我突破的机会，也给了中国新的机会。“目前，我国钠离子电池在基础研究、技术水平和产业化推进速度方面都处于国际领先地位，已具备了先发优势。钠离子电池或将成为我国引领新一轮能源革命的机会。”

胡勇胜带领团队研发的钠离子电池

胡勇胜（左）与学生在实验室里本报记者 和冠欣摄

冷门赛道

在元素周期表中，锂和钠是同一列中相邻的两种元素，同为碱金属元素，相似的外层电子结构使它们具有相似的电化学特性。

上世纪70年代，在第一次石油危机爆发时，二次电池（又称可充电电池或蓄电池）成为科学家们竞相争夺的研发高地。在研究这种将电能以化学能的形式预先存储下来的储能技术时，锂和钠曾是科学家眼中不分伯仲的竞争对手。

然而，钠的原子量为23，锂的原子量是7。理论上，用“大个儿”的钠离子做电池，在能量密度（单位质量或体积所放出的电能）上具有天然的劣势，这一点也曾被很多人认为是难以突破的技术瓶颈。因此，以两者为研究对象的两条赛道很快呈现出了差异：锂离子电池率先抓住机遇，强劲发展，在商业化的道路上一骑绝尘；而钠离子电池渐渐被人冷落，甚至到了无人问津的地步。

2001年，到中科院物理所攻读博士的胡勇胜，最初瞄准的也是这一炙手可热的研究领域。当时，他师从有“中国锂电之父”之称的陈立泉，期待着在这一领域做出一番成就。然而，先后在德国、美国从事博士后研究，2009年再次回到中科院物理所后，无论是从最新的学术论文中还是在与同行的交流中，胡勇胜都敏锐地察觉到了钠离子电池的市场前景。

经过深思熟虑，2011年，他决定转换赛道。

“很多人都不理解，当时我们物理所在锂电池的研究上已经有了30多年的基础，从一个如日中天的研究领域转去做一个冷门的东西，这是何苦呢？”当时，几乎没有人看好胡勇胜。

然而，胡勇胜却很坚定。让他下定决心的其实是一组数据，这组数据经过更为精密的探测后，已比他当年看到的更加精确：截至2020年，全球探测的锂矿储量为1.28亿吨，中国只占其中的6.3%；与此同时，中国的锂矿以卤水类矿物为主，比如青海、西藏等地的锂盐湖，这类锂矿品位较低，开采也不方便。与之相对的是，截至2023年9月底，全国新能源汽车保有量为1821万辆，其中绝大部分是锂离子电动车。所以，中国庞大的锂电产业所需的锂资源，百分之七八十都依赖进口。

雪上加霜的是，锂电池的回收成本极高，相关的电池回收企业做过大致测算，每吨碳酸锂的回收成本在15万元左右。

“如果把国内的油车全部替换成电车，锂资源肯定是不够用的。”胡勇胜的危机意识陡升，“我们国家发展新能源车，在一定程度上解决了石油需要大量进口的问题；但现在新能源车的原材料也依赖进口，同样有被卡脖子的风险，我们并没有从根本上解决问题。”

而作为自然界中最常见的元素，钠的优势是资源丰富、分布均匀、容易获取，价格也便宜，根本不用太担心资源耗竭的问题。

为胡勇胜更添了几分信心的是，与上世纪70年代相比，适于钠离子电池应用的新的场景出现了——可再生能源的储能需求近在眼前。

“受自然条件的影响，风能、太阳能等可再生能源很不稳定。光照好、风力足的时候，发电多；阴天、无风的时候，发电少。这就给输电网络造成了很大的压力。”胡勇胜解释，这时，我们就需要一个像“蓄水缸”一样稳定的介质把电能存储起来，“发电多的时候，它可以存一部分；等不够了，它还能释放出来。这样一来，电网就能平稳运行。”

在这一领域，钠离子电池大有可为。在胡勇胜看来，与电动汽车这种移动式场景相比，固定式储能的场景也让钠离子电池能量密度低这一缺点显得没有那么重要。

中科院对年轻研究员的包容让胡勇胜有了心无旁骛的底气：对新入所的研究人员，物理所会稳定提供6年的支持。在此期间，他们不必为了考核和经费而被动改变研究方向。受益于此，在最艰难的日子里，胡勇胜并没有因研究方向“冷门”而遭遇任何不公，也从没有为经费不足而烦恼担忧。

“那是很幸福的一段时光，能够全身心投入地做一件事情，不用为任何外部因素分心。”胡勇胜坚信，这样一条冷门的赛道既是机遇，又是挑战。他下定决心，要像组里前辈所鼓励的那样，“在钠离子电池研究赛道贴上自己的标签”。

另辟蹊径

要做让用户用得起的电池，这是胡勇胜为自己定下的研究目标。

与锂离子电池工作原理相似，钠离子电池主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作。因此，两者的结构也基本差不多——核心材料为正极、负极、电解液等。要让“用户用得起”，如何降低这些核心材料的成本，成为胡勇胜团队首先要思考的课题。

“每天早上抱着希望走进实验室，晚上带着失望回家。”如今，胡勇胜可以轻松地以这么简单的一句话，来“自嘲”当年“找材料”的日子。背后，承载的却是让年轻团队备受煎熬的日日夜夜。

失败率有多高？胡勇胜以锂离子电池作类比：每年发表的与锂离子电池正负极材料相关的论文有1万多篇，但最后真正能派上用场的材料只有三四种。说每一样被筛选出的材料都是“万里挑一”的幸存者，一点都不过分。

在国外，一些研究人员为钠离子电池选材时，沿用了锂电池的思路，使用镍、钴作为正极材料的活性材料。对此，胡勇胜并不看好：“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%至10%，加上钠离子电池的能量密度比锂离子电池低，这就让钠离子电池失去了商业化的前景。”

为此，团队开始尝试使用更便宜的材料。铜、铁等此前被证明在锂离子电池中没有活性的元素，也都成了胡勇胜不放弃的实验对象。不同材料自由组合带来的庞大实验量以及让人看不见希望的一次次失败，不断考验着团队的心志。

一天晚上，胡勇胜还在所里研读文献——那段时间，从海量的文献中寻找破题的思路是他的工作常态，无论走到哪里，他都会随手带上几份文献。22时左右，一名学生兴奋地冲进他的办公室：“胡老师，有活性！铜在钠离子电池中有活性！”这种成本只有钴的1/2、镍的3/4的元素成了“完美替身”。经过不断摸索，胡勇胜带领团队最终成功研制出铜基钠离子层状氧化物正极材料，6年后相关研究成果发表在了《科学》杂志上。

铜的出色表现无疑为实验进程投进了一线曙光。团队再接再厉，在负极材料的寻找上也铆足了劲儿。

当时，石墨是锂电子电池成熟的负极材料。不过，大半径的钠离子，无法像锂离子那样自由地在石墨中碳原子平行的层状结构中穿梭。“如果从平行的结构变成楔形的结构，‘大个儿头’的钠离子也就能进去了。”胡勇胜将平行放置的双手张开，展示钠离子能自由进出的通道形态，接着解释，“这样一来，钠离子电池负极材料对碳原子结构的要求就没有那么高，不需要锂离子所要求的那么有序，可选择的空间也就更大了。”

这一点并不是胡勇胜团队的原创发现。早在2000年，加拿大科学家就开始在实验室里采用对葡萄糖加热的方式，来获取能容纳钠离子进出的负极材料。不过，胡勇胜却没有被国外同行的思路所束缚，而是从节省的角度出发，将目光投向了所有含碳材料中最便宜的煤。于是，便有了煤基钠离子电池负极材料。

所有的材料，都是奔着节省。这种另辟蹊径的做法，让团队连连收获惊喜，电解液也不例外。

一开始，团队尝试将钠离子电池的电解液材料直接由六氟磷酸锂替换成六氟磷酸钠。但问题是：加多少？最佳浓度是多少？在电解液中，成本最高的就是溶质六氟磷酸钠，能不能少加点儿？

团队大胆实验，将六氟磷酸钠溶液浓度降为六氟磷酸锂浓度的30%后，电池依然能正常工作。不过他们并不满足于直接“照搬”，仍不断寻找着电解液的独家配方。

随着与钠离子的朝夕相处，团队也慢慢厘清人们之前对钠离子的认知误区，一点点揭开钠离子的真面貌。这些发现不断给他们坚定走下去的勇气。

“楔形结构的负极材料，让钠离子进出的空间更宽敞，因此移动的速度就比锂离子在有序的结构中更快。钠离子跑得更快，电池的充电速度自然也更快。”胡勇胜拿出数据：相同容量的钠离子电池充电时间仅为锂离子电池的一半左右。

此外，半径更大的钠离子与电解液溶剂作用弱，很容易就能甩开溶剂，效率更高，这一点不仅在钠离子电池的充电速度上发挥作用，也让钠离子电池有了更为优异的低温表现。“冬天，我们的手机经常在低温下罢工，那是因为锂离子需要足够的能量甩开溶剂，而低温下能量不足，它甩不开溶剂跑不动了，所以电池就罢工了。”胡勇胜说，相比之下，钠离子电池在零下40摄氏度条件下，依然有极佳的放电表现。

东风已至

2017年，在胡勇胜的推动下，国内第一家专门研发钠离子电池的公司——中科海钠应运而生。经过6年多的实验室准备，钠离子电池迈出了走向市场的第一步。

从实验室的克级研究到公斤级研究，再到量产，整个过程并不是对原材料进行简单的成倍叠加。“很多克级研究不需要考虑的问题，在公斤级研究的时候就会出现。”

为了展示两者之间的差异，胡勇胜从电池的内部结构讲起：剥开电池的外壳，可以清晰地看到，正极、隔膜、负极三层卷绕在一起，其中正、负极材料分别与正、负极电极片相连，插在两者中间的隔膜起的是防止短路的作用。

看似简单的结构，每一环节都会在“成倍放大”时出问题。一路上的艰辛，中科海纳副总经理戚兴国记忆犹新。2013年，他入读物理所，作为胡勇胜的博士生加入团队，之后便一路追随。

他以正极材料举例，“正极材料是粉末材料，在制作极片时，在里面加入有机溶剂、粘接剂和导电剂，混合形成浆料，然后将浆料涂抹在铝箔上，就成了目前我们看到的薄薄的片状极片结构。”戚兴国说，电池制备对浆料的均匀度要求极高。“克级研究时，我们会把材料做成纽扣电池评测，这一过程时间短，暴露的问题也少。同样的方法到了公斤级研究时，‘芝麻糊’般的浆料就变成了‘果冻’。”类似的问题层出不穷，比如原材料烧结的时候出现严重结块、电池大量产气“罢工”等。

更难的是，团队一开始条件艰苦，连简单的材料制备工具都不完善——从磨料、烧料到粉碎、过筛，正负极材料制备的每一步都是由团队成员手工操作小设备完成；电池试验线更是无从搭起。因此，他们只能四处寻找其他拥有电池线的厂家帮忙。“当时，社会上对钠离子电池的认知度不高，对其前景也并不看好，很多厂家只能匀出一两天时间。”戚兴国说，这也意味着，每失败一次，他们就得重新回到实验室，找症结、改方案，一次次攻关；然后再跟厂家重新约时间。“时间耗得很长，加上没有经验，有时候也不知道问题到底出在哪里，过程确实很波折。”

提起产业化早期的艰难，戚兴国至今难忘的还有一件事：2018年，团队尝试做钠离子电池车，制备这种重量的电池，再依靠手工制备材料显然行不通。“我们只好背着原材料奔波在路上，在这个厂家研磨完，到下一个厂家喷雾干燥，再找另外的厂家进行烧结……每道工序都要去寻找不同的厂家。”

那段日子，出差作报告、谈合作、找投资也填满了胡勇胜的日程，“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上”。

好在，努力都没有白费。让人振奋的是，中科海钠在产业落地推进上进度神速：2018年完成了全球首辆钠离子电池低速电动车示范；2019年完成全球首座100千瓦时钠离子电池储能电站示范；2021年建成全球首套1兆瓦时储能电站；2022年分别于山西太原和安徽阜阳建成钠离子电池千吨级正负极材料和吉瓦时电池生产线，开启钠离子电池产业化元年；在2023年举办的“第二届全国钠电池研讨会”上，由中科海钠与思皓新能源联合打造的国内首台“钠离子电池试验车”公开亮相，并进入了工信部的新车产品公告……

眼下，胡勇胜带领团队还在续写着更多的奇迹。“我们希望通过自己的努力，让越来越多的人用上钠离子电池，并且真心觉得它好用。”他期待着，在他和团队的推动下，钠离子电池能在“低碳中国”建设中发挥重要作用。