世界首辆钠离子电池低速电动车亮相

　　“成功或失败，这辈子只做这一件事。”

　　当很多人在公共场合关注锂离子电池时，他把注意力转向了“冷门”的钠离子电池，而这“一眼”就是10年，也开启了钠离子电池产业化的大门。此时，胡永生不仅是中国科学院物理研究所的研究员，也是中科海纳的创始人。

　　不久前，中科海钠生产的世界上第一款具有自主知识产权的钠离子电池批量生产。目前电池容量可达30万节电池/月。

　　在中国科学院物理研究所成立90周年之际，世界首辆钠离子电池低速电动车亮相。

　　从“优秀”到“完美结合”

　　200多年后，电池正面临新一轮能源革命的“大浪淘沙”。20世纪90年代，在众多二次电池中，锂离子电池率先抓住机遇，蓬勃发展。

　　根据中关村储能产业技术联盟2019年的统计，锂离子电池占全球电化学规模储能示范项目的80%。

　　然而，锂离子电池面临着一个不可避免的“天花板”。"二次电池中，锂离子电池性能最好，但锂资源储量有限，70%分布在南美。目前，中国80%的锂资源依赖进口。锂离子电池很难兼顾电动汽车和电网储能两大行业。"胡永生告诉中国科学杂志。

　　“优秀”的锂离子电池已经无法完全改变传统的能源结构。在蓬勃发展的二次电池中，替代或补充锂离子电池的储能技术已成为国际新能源技术竞争的热点。

　　再者，铅酸蓄电池这个曾经的“主角”，由于不可避免的环境污染和无法达到新的国家标准，正面临着“退役”的问题。2019年4月，强制性国家标准《电动自行车安全技术规范》规定，电动自行车(包括电池)的整车重量不得超过55公斤，但市场上铅酸电池电动自行车的重量一般在70公斤以上。

　　“目前碳酸锂4万元/吨左右。如果用锂离子电池代替铅酸电池，电动自行车的成本将大幅上升。碳酸钠的平均用量只有2000元/吨，所以用钠离子电池代替铅酸电池的优势很明显。"胡永生告诉记者。

　　在胡永生看来，钠离子电池具有成本低、寿命长、安全性能高等优点，不仅可以在一定程度上补充锂离子电池，缓解锂资源短缺，而且可以逐步替代环境污染严重的铅酸电池，保障国家能源安全和社会可持续发展。

　　值得一提的是，钠离子电池巨大的储能市场还包括光伏、风能等新能源接入储能系统。据了解，2018年，中国废弃光、风、水的用电量总计1022亿千瓦时。胡永生指出:“储能是智能电网的重要组成部分，钠离子电池因其成本和资源优势将在大规模储能市场取得巨大成就。”

　　“此外，钠离子电池有望在低速电动汽车、电动船只、数据中心、通信基站和家庭/工业储能领域迅速发展，并具有许多优势。”胡永生说。

　　近年来，钠离子电池的研究和开发在国际领域有所增加。2020年，美国能源部明确定义钠离子电池为储能电池的发展体系；欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列为第一个非锂离子电池系统。

　　事实上，当胡永生的团队对钠离子电池进行研究时，虽然钠离子电池不是一个热门领域，但其他团队已经在做研究了，但胡永生给自己设定的目标是“做研究是必要的，制造用户最需要的钠离子电池”。

　　“我们想成为普通人买得起的低成本、高安全性的电池。”因此，降低电池正负极材料的成本成为胡永生团队首先要考虑的重要课题。其实锂离子电池常用的活性元素是Ni和Co，但是成本比较高。能否找到有效成本低的元素替代品？通过不断的研究，胡永生的团队惊喜地发现，铜不仅在钠离子电池中具有活性，而且其成本仅为钴的1/4和镍的1/2，是替代镍和钴的“完美”元素。经过多年的探索，胡永生的团队最终成功开发出了铜基钠离子层状氧化物正极材料。

　　挑战接踵而来。能否降低钠离子电池正极材料的成本？"当时，石墨作为成熟的锂离子电池负极材料，几乎没有钠的储存能力；无定形硬碳是许多研究的焦点，但其价格昂贵。通过对碳源前驱体的考察，我们发现无烟煤的平均成本为1800元/吨，如果用无烟煤制备非晶碳负极材料，将大大降低电池成本。基于这一考虑，我们立即开始了实验，最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。"胡永生回忆道。

　　中国科学院物理研究所团队成员、副研究员陆亚祥认为，成功降低钠离子电池成本的关键是敢于另辟蹊径，大胆创新。"当时国内外对钠离子电池的研究主要集中在借鉴锂离子电池的研发思路上，所以没有取得突破性进展。我们没有跟随每个人的脚步，而是采取了不同的方法，大胆尝试挑战别人忽略、认为不可能的道路。"

　　在克服了钠离子电池正负极材料的成本问题后，胡永生的团队继续深入挖掘钠离子电池的其他优势，发现钠离子电池不仅具有更好的安全性，而且在遇到零下40度的低温时，可以释放80%的电量，比锂离子电池车更“耐寒”。"另外钠离子电瓶车充电速度更快，只需要20分钟，然后就会挑战10分钟的充电速度。"胡永生告诉记者。

　　对于电池准备来说，建立一条完整的生产线不仅重要，而且投资巨大。值得一提的是，钠离子电池可以直接使用锂离子电池生产线，无需改造。"前不久，我们用锂离子电池生产线生产了8万块钠离子电池。因为锂离子电池的生产线可以直接使用，钠离子电池的市场化会更快，能站在前辈的肩膀上，我们感激不尽。"胡永生说。

　　目前，胡永生团队在钠离子电池的正负极材料和电解质等关键材料系统以及电池制造和组装工艺等工程技术方面拥有完全独立的研发能力。产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。

　　目前有工业，脚下有科研。

　　事实上，胡永生和物理研究所已经注定了20年。2001年，胡永生来到物理研究所攻读博士学位，师从陈立泉院士。正是这种师生间的友谊改变了胡永生未来的职业生涯。

　　博士毕业后，胡永生去了德国和美国深造。完成学业后，陈立泉联系了胡永生，希望他能回到物理研究所工作。

　　“我毫不犹豫地回来了，因为我的导师和团队凝聚力。陈先生始终关心国家能源安全，从长远角度推动电气中国梦想的实现，敢于挑战，不怕困难。这种家国情怀和科研精神让我佩服。除此之外，陈老师也是满满的培养学生。他带领的团队有激情，有梦想，有感情。我很喜欢团队的科研氛围。"胡永生回忆道。

　　当时，所有的团队成员都制定了自己的研究方向和目标。“成为用户最需要的钠离子电池，这辈子只做这一件事”是胡永生为自己设定的目标。

　　“当时，国内的科研条件随着国家的发展有了很大的改善。此外，中科院还提供了良好的科研平台和转化平台。作为一个研究者，如果不能有所建树，那真是对不起国家。对不起老师。”胡永生坦率地说，“实际上，我也认为我可能会失败，但如果每个人都在关注一个领域，这可能是一个机会。如果大家都已经开始做了，可能就不再是机会了。”

　　设定目标很容易，但把目标变成现实并不容易。付诸实践的最初几年是胡永生最艰难和难忘的时期。"由于世界上钠离子电池的研发没有实质性的进展，许多都需要从零开始。那些年，我们每天都在研究钠离子电池技术。早上带着希望，晚上带着失望来是很正常的，这是研发最艰难的时候，也是我最安静难忘的时候，为钠离子电池的成功研发奠定了坚实的基础。"胡永生激动地回忆道。

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