川觀新聞記者 吳憂
近日，第十屆科博會在四川綿陽舉行，身居“主場”的長虹抖出許多“看家法寶”，鈉離子電池是其中之一。“能量密度達(dá)到141Wh/kg，實測700次循環(huán)無衰減?！遍L虹新能源材料實驗室首席科學(xué)家高劍告訴記者，這樣的表現(xiàn)已經(jīng)具有商業(yè)化價值。
放眼全國，鈉離子電池的熱度正在快速攀升。作為鋰電之“王”，寧德時代早在去年就發(fā)布了第一代鈉離子電池，宣稱其電芯單體能量密度可達(dá)160Wh/kg，將于2023年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；最近，同為鋰電龍頭的蔚藍(lán)鋰芯也宣布，擬與中科海鈉聯(lián)合開發(fā)圓柱形鈉離子電池，而后者是國內(nèi)第一家專注鈉離子電池研制的企業(yè)，在最近一輪的融資中估值暴漲數(shù)倍。
龍頭下場、資本追捧，令“鈉鋰之爭”重現(xiàn)江湖。為此，記者走訪了多位學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的專家，請他們解析背后的理論、實踐與爭議。
一問
為什么是“鋰”？
高劍的實驗室位于成都高新西區(qū)，40多名科研人員分布在多臺實驗儀器前。他們正在嘗試一種新材料，將其制成新的電芯，圓柱形、紐扣形、刀片形和袋裝軟包的樣品隨處可見。
“這是鈉離子電池嗎？”記者邊看邊問。
“不，是鋰離子電池。”高劍回答，“鋰是行業(yè)的主流，也是我們的主業(yè)?！?/p>
高劍說，小至手表、手機、充電寶，大至新能源汽車、光伏儲能設(shè)備，鋰離子電池?zé)o處不在。在消費電子、動力電池等領(lǐng)域，鋰離子電池幾乎是“一統(tǒng)天下”；在電動工具、儲能設(shè)備等領(lǐng)域，鋰離子電池也在“攻城掠地”。
據(jù)工信部統(tǒng)計，2021年我國鋰離子電池產(chǎn)量324GWh，同比增長106%，其中消費、動力、儲能型鋰電產(chǎn)量分別為72GWh、220GWh、32GWh，分別同比增長18%、165%、146%。
為什么是“鋰”？“天分高。”高劍打開元素周期表，3號元素鋰位于左上角，是排在最前面的金屬元素，“鋰本身原子量小、活性高，且電極電位最‘負(fù)’，因此理論上可以做出能量密度更高的電池。”
高劍介紹，電池誕生200多年來，追求更高的能量密度是發(fā)展的主線，也就是用更小的體積、更輕的質(zhì)量，儲存更多的電量。電池的基本原理相通，不同的材料體系決定了能量密度的大小。鋰元素被發(fā)現(xiàn)后，很快成了科學(xué)家追捧的理想材料。
“還有我們的努力?！敝袊こ淘涸菏?、有機高分子材料專家蹇錫高告訴記者，上個世紀(jì)90年代，索尼首先將鋰離子電池推向商用，獲得市場認(rèn)可。此后，中國的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)逐漸起步，經(jīng)歷了從鈷酸鋰電池到磷酸鐵鋰電池、三元電池的迭代，特別是通過持續(xù)深化創(chuàng)新，近些年已憑借技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)勢獨占鰲頭。
據(jù)統(tǒng)計，2014年以來，中國一直是全球最大的鋰離子電池生產(chǎn)和制造國家。2014年，中國鋰離子電池總體出貨量在全球的占比為42.1%，這一數(shù)據(jù)在2021年達(dá)到59.4%。在這背后，先進三元電池、磷酸鐵鋰電池單體能量密度分別平均達(dá)到280Wh/kg、170Wh/kg，骨干企業(yè)電池系統(tǒng)循環(huán)壽命超過5000次，優(yōu)勢明顯。
“基本上解決了‘續(xù)航焦慮’。”蹇錫高說，如今鋰離子電池產(chǎn)業(yè)愈發(fā)成熟，可以說是“方興未艾”，而由于新能源汽車等下游需求旺盛，鋰離子電池的產(chǎn)能還在快速提升，技術(shù)也在不斷進步，其主流地位難以撼動。
二問
為何還要“鈉”？
走到最后一個實驗室，高劍終于展示了他的鈉離子電池。這是一塊袋裝軟包的電芯，外邊由銀白色的鋁塑膜包裹?！斑@不是實驗品，已經(jīng)是工程化的樣品，拿來就可以用?！备邉φf，幾年前，學(xué)術(shù)界對鈉離子電池的研究大多停留在實驗室，發(fā)表論文就算大功告成，而如今的研究已經(jīng)瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)化，“盡管市場前景還有爭議，但發(fā)展鈉離子電池已經(jīng)不是紙上談兵了?！?/p>
鋰離子電池方興未艾，為何還要發(fā)展鈉離子電池？專家從兩個角度進行了解析。
首先看鋰。鋰是做電池的理想材料，但在專家看來，還稱不上“完美”?！霸诘貧ぶ?，鋰元素并不算豐富，鋰資源越來越緊俏?！彼拇ù髮W(xué)化學(xué)工程學(xué)院副院長、教授郭孝東說，如今的鋰被稱作“白色石油”，正是由此得名，“75%以上的鋰資源都用作了鋰離子電池，隨著新能源汽車等行業(yè)快速發(fā)展，以后的需求還會不斷放大。”
郭孝東表示，鋰資源供應(yīng)的緊張狀態(tài)，讓碳酸鋰的價格在最近兩年節(jié)節(jié)攀升，從每噸幾萬元躍升至每噸數(shù)十萬元，帶動了整個產(chǎn)業(yè)鏈的價格上揚，對產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展有明顯的副作用。
“還要關(guān)注鋰資源的分布。”近日，在第二十屆海科會上，中國工程院院士、輕金屬專家潘復(fù)生也專門提醒，由于我國鋰資源儲量不足，目前國內(nèi)生產(chǎn)鋰離子電池材料的碳酸鋰，絕大多數(shù)都來自國外進口，存在被“卡脖子”的風(fēng)險，因此要努力尋找新的替代資源、確保安全。
再看鈉。蹇錫高表示，鈉是地球上含量最豐富的元素之一，例如海水中就有大量的鈉鹽，其開采、制備過程也更為簡單，因此能夠有效解決資源不足和分布不均的問題，在成本方面擁有明顯優(yōu)勢，“現(xiàn)在鋰的價格越來越高，鈉的成本優(yōu)勢會更加明顯。”
此外，鈉的理化性質(zhì)與鋰相似，也是吸引研究者的重要原因?！霸谠刂芷诒碇?，鈉與鋰是‘鄰居’，都是Ⅰ族的金屬元素。”高劍說，由于都是“搖椅式電池”，兩者背后的原理相同，鋰離子電池的成功，也為鈉離子電池的開發(fā)提供了許多成熟的思路，例如在材料體系的設(shè)計上，如今的鈉離子電池大多都參照了鋰離子電池。
三問
研究進展如何？
盡管理化性質(zhì)相似，但鈉在鋰面前，短板明顯。高劍介紹，由于原子量更大，鈉離子的半徑比鋰離子大?！皟Υ嫦嗤碾娏浚枰w移的離子個數(shù)一樣，但鈉離子電池所需重量要更大。”高劍說，因此在相同條件下，鈉離子電池的能量密度比鋰離子電池低，“要趕上這個差距，很不容易，但我們可以努力靠近。”
如何追趕？關(guān)鍵依然是材料。
高劍介紹，在這其中，正極材料對能量密度的影響最大。根據(jù)成分，主流鈉離子電池正極材料可分為過渡金屬氧化物、聚陰離子化合物和普魯士藍(lán)類化合物體系，可大概對應(yīng)鋰離子電池的三元正極材料、磷酸鐵鋰材料和有機材料?！颁囯x子電池提供了思路，鈉離子電池還需要根據(jù)自身特點來調(diào)整?！备邉φf，目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界對三種正極材料都有所涉及，有的已經(jīng)走出了實驗室。
根據(jù)鋰離子電池的思路，郭孝東和同事曾嘗試用磷酸鐵鈉代替磷酸鐵鋰，但由于磷酸鐵鈉的活性降低明顯，于是沿著這個思路繼續(xù)嘗試，最終發(fā)現(xiàn)用磷酸釩鈉的效果很不錯?！八拇ㄢC鈦資源豐富，這樣的嘗試很有意義?！惫|介紹，除此以外，團隊也在嘗試其他的材料體系設(shè)計，目前取得了不錯的效果，將在合適的時候報告。
除了追求能量密度，循環(huán)壽命也是重要目標(biāo)。高劍介紹，鈉離子電池的充電工程，是將鈉離子嵌入負(fù)極的過程，由于鈉離子的個頭更大，嵌入負(fù)極更困難，循環(huán)壽命自然也比鋰離子電池更短。
“負(fù)極也要嘗試新材料。”高劍說，這種新的負(fù)極材料已經(jīng)完成制備，正在進行測試，有望大幅縮小與鋰離子電池循環(huán)壽命的差距。
蹇錫高和同事準(zhǔn)備換一種思路?！澳軌虺浞烹姷牟恢挥须姵?，還有電容器?！卞垮a高說，他的團隊正在開發(fā)一種鈉離子超級電容器，其能量密度可以與電池相當(dāng)，且充放電效率有質(zhì)的提升，“普通的電池快充，在電容器面前都是‘小巫見大巫’?！卞垮a高透露，開發(fā)鈉離子超級電容器的關(guān)鍵是找到一種高性能的儲鈉材料，而最近團隊已經(jīng)有所突破，去年已經(jīng)向?qū)W術(shù)界報告。
四問
四川如何應(yīng)對？
近些年，鋰離子電池產(chǎn)業(yè)在四川發(fā)展迅猛。據(jù)統(tǒng)計，四川省現(xiàn)已具備鋰礦年開采能力150萬噸，基礎(chǔ)鋰鹽產(chǎn)能24萬噸，正負(fù)極材料產(chǎn)能125萬噸，動力電池產(chǎn)能100GWh。預(yù)計到2025年，四川動力電池產(chǎn)能將達(dá)到350GWh。
在此基礎(chǔ)上發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)，具有哪些優(yōu)勢？
“四川硬巖石鋰礦占全國鋰礦石資源量半壁江山。”高劍說，這是四川鋰電產(chǎn)業(yè)的基石，發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)沒有這樣的先天優(yōu)勢，但四川釩鈦資源豐富，可能在以后的鈉電產(chǎn)業(yè)發(fā)展中帶來較為明顯的資源優(yōu)勢。
再看產(chǎn)業(yè)鏈。從鋰礦開采到基礎(chǔ)鋰鹽、正負(fù)極材料、動力電池，四川鋰電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈上下游完備，已經(jīng)在一定范圍內(nèi)形成了成熟的分工協(xié)作。“鋰電和鈉電原理相同，生產(chǎn)工藝相似?！备邉φf，在鋰電生產(chǎn)線上稍作調(diào)整，就能實現(xiàn)鋰電和鈉電通用，有利于鈉電產(chǎn)能快速提升。
“人才也是優(yōu)勢?！卞垮a高表示，隨著鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，四川已經(jīng)聚集了一大批專業(yè)人才，在四川大學(xué)、電子科技大學(xué)等高校中也有不少創(chuàng)新團隊，鋰電和鈉電的創(chuàng)新成果不斷涌現(xiàn)，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
不過，在鋰電產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯的大背景下，是否發(fā)展、如何發(fā)展鈉電產(chǎn)業(yè)，大家還存在許多爭議。
“首先是對鈉電的定位，是對鋰電的取代，還是對鋰電的補充？”高劍說，在他看來，由于在能量密度和循環(huán)壽命上仍然存在明顯差距，未來鋰電仍將是電池的主流，而鈉電需要在一些細(xì)分市場找到自己的立足之地，“例如對能量密度不太敏感的光伏儲能，以及對循環(huán)壽命不太敏感的電動工具，都可以是鈉電的用武之地?！?/p>
在鈉電中，鈉的成本只是電池成本的很小一部分，由于尚未規(guī)模化應(yīng)用，鈉電的成本優(yōu)勢目前還不明顯。蹇錫高建言，當(dāng)前應(yīng)該積極研究、謹(jǐn)慎布局，重點鼓勵前沿創(chuàng)新研究，夯實產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。
爭議之下，這樣的共識明確：鋰電這個主業(yè)不能丟。專家建言，發(fā)展鋰電和鈉電產(chǎn)業(yè)，要在“主業(yè)+副業(yè)”的格局下開展?！熬拖裎覀儗嶒炇?，主業(yè)還是鋰電的創(chuàng)新研究，要繼續(xù)向理論極限逼近?！备邉φf，在此基礎(chǔ)上開展的鈉電研究，重點面向細(xì)分市場，著眼于未來，“當(dāng)鋰資源真正進入枯竭階段，這樣的技術(shù)儲備就能發(fā)揮大作用了?！?/p>
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四川新能源發(fā)展沖向世界前沿。
聚集人才優(yōu)勢。
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治蜀興川再上新臺階。
科學(xué)講求真理。沒有爭論，難明是非曲直！
新定位，新動能。