電網系統裏用不完的電都去哪兒了？很可能跑到這裏了……_風聞

原創：中科院物理所

　　18世紀工業革命的興起，讓化石燃料佔據了人類經濟活動的前端，但由於其帶來的污染及不可再生性，人們開始將着眼點放在新能源的開發與利用上。

　　在如今的21世紀，能源問題仍舊不可避免且刻不容緩。而能源的存儲（簡稱儲能），作為連接能量供給與消費的重要環節，在整個能源互聯網中起着重要的作用。

　　不知道大家有沒有想過這樣一個問題：發電站在持續不斷地發電，但我們的用電需求卻有高有低。那在用電低谷時，會出現發電量大於用電量而導致電能浪費的情況嗎？

　　其實在正常情況下，電網系統自身是具備自我調節的能力的，可以最大程度上平衡發電量和用電量。

　　但如果出現了發電量遠超用電量，無法通過自我調節來實現均衡的情況，就要藉助儲能系統將多餘的電量儲存起來。

　　在諸多的儲能方式中，有一顆冉冉升起的新星，這種儲能方式所基於的元素，也是人體肌肉組織和神經組織中的重要成分之一……

　　沒錯，它就是鈉離子電池儲能系統

　　2021年6月28日，中科院物理所與中科海鈉在山西太原綜改區聯合推出了全球首套****1MWh鈉離子電池儲能系統，併成功投入運行。

　　1MWh鈉離子電池儲能系統

　　該系統以自主研發的鈉離子電池為儲能主體，結合市電、光伏和充電設施構成一個微網系統，能夠實現自我控制、保護和管理；具有靈活的運行模式和調度管理性能，既能併入大電網運行，又能獨立孤島運行；聯網模式下與大電網一起分擔用户的供電需求，孤島模式下保證用户尤其是重要用户的正常用電。

　　此次鈉離子電池儲能系統的成功研製，標誌着我國在鈉離子電池技術及其產業化水平走在了世界前列，同時意味着鈉離子電池即將步入商業化應用新階段。

　　鈉離子電池作為一種新型二次電池（可充電電池），近些年的發展勢頭可以用“迅猛”一詞來形容。

　　為何要大力研發鈉離子電池並努力做到產業化？這背後的原因和意義究竟是什麼？

　　這還得從鈉離子電池本身開始説起……

　　鈉離子電池的誕生

　　早在1870年，法國著名小説家儒勒·凡爾納就在其科幻小説《海底兩萬裏》中描述了他心目中的鈉電池。

　　“將鈉與汞混合形成一種合金（鈉汞齊），代替本生電池（一種鋅碳原電池）中所需要的鋅。汞可以永久保持，而不斷消耗的****鈉則可以從大海里源源不斷地提取……”

　　直到1968年，才出現了能在高温下運作、使用金屬鈉作負極，單質硫作正極的高温鈉硫電池。

　　由於工作温度高，可應用的範圍就非常受限，所以為了降低其工作温度，拓展其應用領域，科學家們可謂煞費苦心。

　　1979年，“搖椅式電池”的概念被提出。何為搖椅式電池？指的是電極材料中的離子可以在電壓的驅動下於正負極間來回遷移，就像搖椅可以前後搖晃一樣。

　　“搖椅”模型示意圖

　　自此，鈉離子電池的雛形開始顯現，並逐漸發展成今天的模樣。

　　鈉離子電池的工作原理

　　和鋰離子電池一樣，鈉離子電池的主要結構也包括正極、負極、電解質、隔膜、集流體等，只是電池內傳導的不再是鋰離子，而是鈉離子。

　　正負極被電解質浸潤以保證離子導通，隔膜用以將正負極隔開防止內短路，集流體則起收集和傳導電子的作用。

　　鈉離子電池結構示意圖

　　充電時，鈉離子從正極脱出，經電解質嵌入負極，電子經外電路由正極向負極遷移，實現能量的存儲。放電過程與充電過程相反，實現能量的輸出。

　　正常情況下，鈉離子在正負極材料的嵌入脱出不會破壞材料的晶體結構，使得反應高度可逆，從而保證電池可以反覆使用。

　　鈉離子電池的優勢

　　01

　　鈉資源儲量豐富

　　相比鋰資源的稀缺與分佈不均，鈉資源可謂儲量豐富且分佈廣泛。如果對比一下鋰元素和鈉元素在地殼裏的豐富度……

　　嗯，一目瞭然

　　這就使得鈉離子電池的製造成本更低、且無發展瓶頸。

　　02

　　更廉價的電極材料

　　在鋰離子電池的許多材料中，Ni和Co是不可或缺的元素，但這卻都是貴金屬。

　　而鈉離子電池卻不一樣。近些年來，中科院物理所胡勇勝課題組陸續研發出具有可觀電壓和比容量的Cu基氧化物正極材料以及無煙煤基負極材料。

　　這使得鈉離子電池在正極材料上可脱離Ni、Co等貴金屬，轉而使用Cu、Fe、Mn等更為廉價的金屬；在負極材料上也獲得了最高的性價比。

　　各金屬產量對比圖

　　03

　　低濃度電解液

　　電解液是連接正極與負極的橋樑，也是離子傳輸的必經之路。理想的電解液需要兼顧離子電導率、液態温度範圍、穩定性等。

　　按常理來説，電解液中離子濃度越高，越有利於離子的傳導。但濃度的上升也會帶來黏度變大等其它問題，故不能一味地追求高濃度。

　　而相比鋰離子，鈉離子具有更小的斯托克斯半徑，故低濃度的鈉鹽電解液也能同樣具有較高的離子電導率，從而減小了黏度所帶來的影響。

　　04

　　更廉價的集流體

　　鈉不會和鋁發生合金化反應，故可以選用廉價的鋁箔作為集流體，進一步降低了成本。（由於鋰易和其它金屬發生合金化反應，故只能選用略貴的銅箔做集流體）

　　05

　　更優的倍率性能、高低温性能

　　所謂倍率，即充放電速率，而高倍率充電就是我們現在常見的快充。鈉離子電池顯示出了比鋰離子電池更優的倍率性能，即可以在短時間內充滿電且容量保持率高。

　　高低温性能即電池可以正常工作的温度區間。相比鋰離子電池，鈉離子電池可以在低至約-30℃、**高至約80℃**的環境中正常工作。

　　06

　　更高的安全性

　　可能有的朋友會問，鈉的性質比鋰更為活潑，那製造出的電池安全嗎？

　　這點大可不必擔心，為了避免枝晶帶來的安全問題，鈉離子電池不會選用金屬鈉單質作為負極材料（就像鋰離子電池不用金屬鋰單質作為負極一樣），而會選用碳類材料作為負極、**鈉的化合物（鈉鹽）**作為正極。

　　無論是碳類材料還是鈉鹽都是穩定的，在鈉離子嵌入脱出時不會發生反應，同時能避免產生枝晶。

　　在安全性測試（加熱、過充、短路、跌落、針刺、海水浸泡等）中，鈉離子電池能做到不起火爆炸，展現出良好的安全性能。

　　針刺後的電池無起火爆炸的情況

　　鈉離子電池 & 中科院物理所

　　由於鈉離子的質量、半徑均要大於鋰離子，這就註定了鈉離子電池的能量密度無法與鋰離子電池相媲美。

　　從目前的發展水平來看，鈉離子電池可能還無法滿足手機這類具有較大電量需求的電子產品。

　　但由於低成本、高安全、長壽命等優勢，鈉離子電池可以與鋰離子電池形成互補，並且可以逐漸取代鉛酸電池，在大規模儲能和交通工具上大展宏圖。

　　鈉離子電池潛在應用領域

　　中科院物理所自2011年致力於低成本、安全環保、高性能鈉離子電池技術開發，目前已在正負極、電解質、添加劑和粘接劑等關鍵技術方面申請了50餘項發明專利（已授權30餘項，其中3項獲得美國、歐盟和日本授權），在Science正刊、Nature、Science 子刊及Joule學術雜誌發表論文10篇，出版**《鈉離子電池科學與技術》**專著一本。不僅如此，團隊還牽頭制定了國內首個鈉離子電池團體標準。

　　2017年，陳立泉院士提出“電動中國”構想，鈉離子電池產業化勢在必行。團隊於同年成立中科海鈉公司——一家專注於鈉離子電池技術研究與生產的高新技術企業，現已建成鈉離子電池百噸級材料中試線及百萬安時級電芯線，正在山西太原建設年產2000噸鈉離子電池正、負極材料生產基地；研製生產出軟包、鋁殼及圓柱電芯約15萬隻，綜合性能處於國際領先水平，為鈉離子電池的商業化奠定了堅實基礎。

　　從2015年習近平總書記提出“構建全球能源互聯網”，到2020年我國向世界鄭重宣佈“碳達峯、碳中和”的雙碳目標，對可再生能源的加快推廣提出了迫切要求，也為鈉離子電池的持續發展提供了巨大空間。我們有理由堅信，未來鈉離子電池的發展能取得更大的進步！

　　拓展閲讀

　　[1] 鈉離子電池：中國的機會

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