物理所胡勇胜团队评述|钠离子电池关键材料研究及工程化探索进展

中国科学院物理研究所胡勇胜研究员团队在《科学通报》发表评述文章，介绍了中国科学院物理研究所在钠离子电池关键材料（正极、负极和电解质）、基础理论和工程化探索方面取得的重要进展，对钠离子电池的未来发展方向进行了展望。

在“碳达峰和碳中和”的战略背景下，发展大规模储能技术对于以风能和太阳能为主的清洁能源的高效利用具有重要的意义。二次电池储能具有能源利用率高、易模块化和灵活便捷等优点，被认为是最有前景的储能技术。当前，锂离子电池由于较高的能量密度已经被广泛应用于电动汽车及便携式储能器件；然而，全球锂资源储量有限且分布不均匀（大部分分布在南美洲），使得碳酸锂的价格逐年上涨，到2022年初，碳酸锂的价格已经上涨到50万元每吨。锂离子电池受到储量限制，难以同时支持电动汽车和规模储能的发展，将来还有可能存在被“卡脖子”的问题。因此，迫切需求一种成本低廉且性能优异的二次电池储能技术，来分担锂离子电池在电动汽车和规模储能方面的压力。

中国科学院物理研究所陈立泉提出的“电动中国”的构想(https://tv.cctv.com/2020/02/29/VIDEUhAY4Pd9xs5PBx5HdgNh200229.shtml)

钠离子电池由于丰富的钠资源和相似于锂离子电池的工作原理，近年来越来越受到学界和产业界的重点关注。并且，研究发现钠离子电池还具有长寿命、宽温区和高安全的优点，使其在规模储能领域展现出良好的应用前景，并可逐步取代铅酸电池，有望在微型电动车、混合动力、农业机械、电动船、通信基站、家庭/工业储能和智能电网等多个领域快速发展，提升我国在储能技术领域的影响力并推动我国实现“碳达峰和碳中和”战略的进程。

中国科学院物理研究所钠离子电池研究团队自2011年以来，致力于低成本、高安全和高性能的钠离子电池技术研发，已在核心材料方面获得专利授权40余项，部分专利获得美国、日本和欧盟授权；在国际上首次提出具有自主知识产权的Cu基层状氧化物正极材料和低成本无烟煤基负极材料。2017年，中国科学院物理研究所依托钠离子电池核心专利技术，成立了国内首家专注钠离子电池开发与制造的高新技术企业——中科海钠科技有限责任公司；随后，首次推出了钠离子电池驱动的电动自行车和微型电动车，以及全球首套100 kW h和1 MW h钠离子电池储能系统的示范应用，有序推进钠离子电池产业化进程。本文重点介绍了中国科学院物理研究所在钠离子电池关键材料（正极、负极和电解质）、基础理论和产业化探索方面取得的原创性成果及重要突破，并对钠离子电池未来发展方向提出了展望，以期推动钠离子电池的持续发展，加速钠离子电池的商业化应用。

本文首先重点介绍了研究团队在钠离子电池层状氧化物正极材料方面取得的系列进展，主要包括：①高性价比的Cu-Fe-Mn基层状正极材料；②高容量的晶格氧变价的层状氧化物正极；③稳定相转变的层状正极材料（高熵和P2相高钠含量正极），以及聚阴离子化合物磷酸盐正极材料。

在负极方面，研究团队利用不同生物质材料合成了一系列优异储钠性能的硬碳负极材料和基于无烟煤、沥青开发的高性能软碳负极材料；另外，利用Ti4+/Ti3+较低的氧化还原电势，设计了长循环稳定的钛基层状氧化物负极材料。在电解质方面，设计了高盐浓度水系电解液以及低盐浓度的有机系电解液，它们均表现出优异的电化学性能；另外，对NASICON(Na super ionic conductor)型固体电解质和聚合物固体电解质进行了针对性的改性。

对于电极材料的机理研究，本文详细探究了①层状正极材料成相规律，②层状氧化物的有序/无序排布，③钛基氧化物储钠机理，④隧道型新材料的设计方法，⑤无定形碳材料的储钠机理，⑥有机负极材料的储钠机理。

在钠离子电池产业化探索方面，重点介绍了中科院物理所钠离子电池研究团队在钠离子电池产业化探索及示范应用的历程；从国内首个钠离子软包电池和10公斤级电极材料试制，到百吨级正/负极材料中试线和百万安时钠离子电芯线；从钠离子电池(48 V, 10 A h)驱动的电动自行车，到全球首辆钠离子电池(72 V, 80 A h)驱动的微型电动汽车；从全球首套钠离子电池(30 kW/100 kW h)储能电站，到全球首套1 MW h钠离子电池储能系统的示范应用；中科海钠正一步一个脚印地推动钠离子电池的产业化进程。最后，对钠离子电池正极、负极和电解液等关键材料的未来发展进行了展望，并呼吁尽快制定钠离子电池行业标准，为指导和规范我国钠离子电池的发展提供有利条件。

全球首套1 MW h钠离子电池储能系统, Copyright © 2021, American Chemical Society

原文信息

党荣彬, 陆雅翔, 容晓晖, 丁飞翔, 郭秋卜, 许伟良, 陈立泉, 胡勇胜. 钠离子电池关键材料研究及工程化探索进展. 科学通报, 2022, 67: 3546–3564, doi: 10.1360/TB-2022-0245（“阅读原文”直达）

转载、投稿请留言

| 关注科学通报 | 了解科学前沿