執著“鈉”十年鈉離子電池迎來“破曉”

  當眾多人聚焦鋰離子電池的時候，他把目光轉向了“冷門”的鈉離子電池，這“一眼”就是10年，也是這“一眼”打開了鈉離子電池產業化的大門。此時的胡勇勝，不僅是中國科學院物理研究所研究員，還是中科海鈉的創始人。

不久前，中科海鈉生產的全球首款具備自主知識產權的鈉離子電池實現量產，目前電芯產能可達30萬只/月。

從“一枝獨秀”到“珠聯璧合”

歷經200余年的電池在新一輪能源革命中迎來“大浪淘沙”。二十世紀九十年代，在眾多二次電池中，鋰離子電池率先抓住機遇強勁發展。

據中關村儲能產業技術聯盟2019年統計數據顯示：在全球電化學規模儲能示范項目中，鋰離子電池的占比高達80%。

然而鋰離子電池卻面臨無法回避的“天花板”。“在二次電池中，鋰離子電池的性能雖是最好，但鋰資源的儲量有限，且70%分布在南美洲，而目前我國80%鋰資源依賴進口。鋰離子電池難以兼顧電動汽車和電網儲能兩大產業。”胡勇勝告訴《中國科學報》。

“一枝獨秀”的鋰離子電池已無法全面改變傳統能源結構，“百花齊放”的二次電池中，替代或補充鋰離子電池的儲能技術成為國際新能源技術的競爭熱點。

不僅如此，曾經的“主力隊員”鉛酸電池因其不可避免的環境污染及無法滿足新國標標準面臨“退役”問題，2019年4 月，《電動自行車安全技術規范》強制性國家標準規定電動自行車的整車質量（含電池）不高于55kg，但目前市場上鉛酸電池電動自行車重量普遍超70kg。

“目前碳酸鋰大概4萬元/噸，如果用鋰離子電池替代鉛酸電池，電動自行車的成本將大幅上漲。而碳酸鈉平均僅有2千元/噸，用鈉離子電池替代鉛酸電池的優勢顯而易見。”胡勇勝告訴記者。

在胡勇勝看來，鈉離子電池具備低成本、長壽命和高安全性能等優勢，不僅能在一定程度上成為鋰離子電池的補充，緩解鋰資源短缺的問題，還能逐步替代環境污染嚴重的鉛酸電池，保證國家能源安全和社會可持續發展。

值得一提的是，鈉離子電池巨大的儲能市場還包括光伏、風能等新能源接入儲存系統。據了解，2018年我國棄光、棄風、棄水電量共計1022億度電。胡勇勝指出：“儲能是智能電網的重要環節，鈉離子電池因其成本及資源優勢將在大規模儲能市場中大有作為。”

“此外，鈉離子電池憑借其諸多優勢還有望在低速電動車、電動船、數據中心、通訊基站、家庭/工業儲能領域快速發展。”胡勇勝表示。

“要做用戶最需要的”

近年來，國際領域紛紛加碼鈉離子電池研發。2020年，美國能源部明確將鈉離子電池作為儲能電池的發展體系；歐盟儲能計劃“電池2030”項目將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。

實際上，在胡勇勝團隊開展鈉離子電池研究時，雖然鈉離子電池不是熱門領域，但已有其他團隊在研究，但胡勇勝給自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用戶最需要的鈉離子電池”的目標。

“我們要做老百姓能買得起的低成本、高安全的電池。”為此，降低電池正負極材料成本成為胡勇勝團隊首先思考的重要課題。實際上，目前鋰離子電池常用的活性元素是Ni和Co，但成本較高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢？通過不斷的研究，胡勇勝團隊驚喜地發現Cu在鈉離子電池中不但具有活性，而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2，正是替代Ni和Co的“完美”元素，經過多年的探索，胡勇勝團隊最終成功研制出Cu基鈉離子層狀氧化物正級材料。

挑戰接踵而至，能否降低鈉離子電池負極材料成本呢？“當時，石墨作為成熟的鋰離子電池負極材料卻幾乎不具備儲鈉能力；無定形硬碳是眾多研究的焦點，但價格較高。通過對碳源前驅體進行調研，我們發現無煙煤的成本平均1800元/噸，如果用無煙煤制備無定形碳負極材料將有利于大幅降低電池成本。基于這樣的考慮，我們立即開始實驗，最終研制出了無煙煤基鈉離子電池負極材料。”胡勇勝回憶道。

在團隊成員、中科院物理所副研究員陸雅翔看來，成功降低鈉離子電池成本的關鍵在于敢于另辟蹊徑、大膽創新。“在當時，國內外對鈉離子電池的研究主要集中于借鑒鋰離子電池的研發思路，所以遲遲沒有突破性的進展，我們沒有跟隨大家的腳步，而是另辟蹊徑，大膽嘗試，挑戰別人忽視的、認為不可能的道路。”

在攻克鈉離子電池正負極材料成本問題后，胡勇勝團隊繼續深入挖掘鈉離子電池的其他優勢，發現鈉離子電池不僅擁有更好的安全性，在遇到零下40度的低溫時，鈉離子電池汽車還能釋放80%的電量，比鋰離子電池汽車更加“耐寒”。“此外，鈉離子電池汽車充電速度更快，僅需20分鐘，接下來將挑戰10分鐘的充電速度。”胡勇勝告訴記者。

對于電池制備而言，建立完整的生產線不僅重要而且投資巨大，值得一提的是，鈉離子電池可以直接使用鋰離子電池的生產線，無需重建。“不久前，我們使用鋰離子電池生產線生產了8萬支鈉離子電池。正因為可以直接使用鋰離子電池的生產線，鈉離子電池市場化的速度將更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我們也無比感激。“胡勇勝表示。

目前，胡勇勝團隊在鈉離子電池正負極材料、電解液等關鍵材料體系和電芯制造、裝配工藝等工程技術上都已具備完全自主研發能力，產品核心ZL已獲得中國、美國、歐盟等多個國家和地區的授權。

實際上，胡勇勝與物理所的緣分已有20年。2001年，胡勇勝便來到物理所攻讀博士學位，師從陳立泉院士，也正是這一份師生誼改變了胡勇勝未來的職業生涯。

博士畢業后，胡勇勝先后到德國和美國進修，就在完成學業之時，陳立泉聯系胡勇勝，希望他能回到物理所工作。

“我毫不猶豫地就回來了，因為我的導師和團隊凝聚力。陳老師始終心系國家能源安全，從長遠出發推動電動中國夢想的實現，不畏困難，敢于挑戰，這種家國情懷和科研精神令我敬佩。此外，陳老師滿心栽培學生，他帶領下的團隊有激情、有夢想、有情懷，我非常喜歡團隊的科研氛圍。”胡勇勝回憶道。

在當時，團隊成員都為自己設定了研究方向和目標，“做用戶最需要的鈉離子電池，這輩子只做這一件事”正是胡勇勝為自己定的目標。

“當時國內的科研條件隨著國家的發展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平臺和轉化平臺，作為科研人員，如果我們還不能做出點成績，就真的太對不起國家，對不起老師了。”胡勇勝坦言，“實際上，我也想過可能失敗，但如果大家都在觀望一個領域時，它可能是機遇，如果大家都已經開始做了，可能它就不再是機會了。”

樹立目標容易，將目標變成現實并非易事。付諸實踐的頭幾年，是胡勇勝最困難也最難忘的時光。“由于國際上關于鈉離子電池的研發并沒有實質性進展，很多要從零開始。那些年，我們每天都在挖空心思地研究鈉離子電池技術，’早晨捧著希望來，晚上帶著失望歸是常態，那是研發最困苦的時期，也是我最安靜思考且難忘的時光，這為鈉離子電池成功研發奠定了堅實的基礎。”胡勇勝回憶時感慨道。

在胡勇勝看來，產業化與做科研完全不同，“基礎研究強調前沿性，而產業化要做以用戶為導向和市場需要的產品，不能為了新而新。此外，實驗室研究階段很多問題是看不見的，而當進入工程化階段后，要保證產品的一致性和穩定性是很有挑戰的事情。”

酒香也怕巷子深，尋找投資人和合作者，為科研成果注入轉化資本，是每個科研成果轉化征程中的必經且不易之路。產業化初期，出差作報告、談合作、找廠家是胡勇勝的常態，為此他幽默地說道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”

在陸雅翔看來，不管再忙，胡勇勝都會“擠”時間思考電池的技術研究，跟團隊探討靈感和難點，“胡老師總有用不完的精力，即使再忙他都會利用零碎的時間閱讀最新文獻，關注科研最新動態，思考問題的解決方案，這種勤奮和科研熱情也激勵著團隊。”

隨著鈉離子電池產品的優越性能和低廉成本逐漸被國內外所認可，胡勇勝也從最初的主動找合作，轉變為越來越的合作“找上門”，產業化的“羊腸小道”逐漸走成了“康莊大道”。

十年磨一劍，今年，是胡勇勝團隊深耕鈉離子電池的第10年，也是中科海鈉市場化的“破曉”之刻，他對未來充滿了期待，期待鈉離子電池走進尋常百姓家，期待鈉離子電池成為守護國家能源安全的“主力軍”，“但科研是產業化的基礎，在帶領團隊產業化的同時，還必須潛心科研，為鈉離子電池實現充電更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未來夯實基礎。“