2023鈉電池產業生態圈會議暨企業家峰會現場
電池百人會-電池網7月28日訊（肖何 梁小婧 江蘇無錫報道）7月28日，由江蘇省貿促會指導，無錫市錫山區人民政府、無錫市貿促會主辦，中關村新型電池技術創新聯盟、中國電池網承辦的2023鈉電池產業生態圈會議暨企業家峰會在無錫錫山區召開。本次會議以“電車鈉紀元，產業新動能”為主題，深度聚焦電池新能源產業前沿技術、深度解讀應用前景及未來趨勢，為產業發展提供新思路、新動力，推進優質項目投資活動，力爭打造有價值、高規格、有影響力的電池新能源產業交流平臺。
俄羅斯工程院外籍院士/哈爾濱工業大學教授王振波
28日下午，俄羅斯工程院外籍院士/哈爾濱工業大學教授王振波在會上發表了題為《“雙碳”目標驅動下的鈉離子電池技術進展》的主題演講，分享了鈉離子電池電極材料的特性與優化策略、鈉離子電池電解質材料的研究進展、鈉離子全電池的發展趨勢與市場需求、寬溫域和高功率鈉離子電池技術進展等，電池網摘選了其部分精彩觀點，以饗讀者：
王振波介紹，相對于其他儲能形式，電化學儲能在規模和場地上擁有較好的靈活性和適應性，同時在調度響應速度、控制精度、電力系統調頻以及建設周期多方面具有比較明顯的優勢。因此，電化學儲能在近兩年儲能市場發展勢頭強勁，具有廣闊的應用前景。
“在化學儲能過程中不一定就是鋰離子電池，還有很多其他的電池，比如鉛酸、鎳氫、鉻鎳、釩等等，它們的性能是不一樣的，在這當中鋰的性能是最好的。”王振波分析稱，鋰的性能雖好，但地球上鋰資源的儲量是有限的，鋰資源的價格也在上漲，回收布局還沒有達到預期目標，因此，性能好但成本高的鋰離子電池難以支撐起未來高速發展的經濟社會所需的海量能源供應與儲存。相比之下，鈉資源儲量豐富、價格低廉，研發鈉離子電池作為一部分鋰離子電池的替用品可以緩解市場需求。
鈉電池發展契機：高性價比 補充鋰電
在王振波看來，鈉離子電池性能不算最優，但制造成本低于鋰電，具有高“性價比”；鈉離子電池的生產可沿用鋰電生產技術和設備，企業轉型的速度快、成本低。
“從70年代一直到現在，我們一直在做鈉離子電池，但是相對鋰來說進展還是慢的。”王振波介紹，鈉離子電池的發展幾乎與鋰離子電池同時起步，但由于鋰電池的成功商用化，鈉電的研究被擱置。而實際上，鈉電的性能雖不能比肩鋰電，但是可以滿足日常使用的，并且其規模化后的成本要低于鋰電，換言之，鈉電具有更高的性價比，這將是促使鈉電產業化的重大契機。
從產業進程來看，目前鈉電相當于20年前的鋰電，參照鋰電發展藍圖，市場潛力巨大。
從制造工藝來看，制造設備可沿用鋰電現有產線，制造成本低，電池廠無重置成本。
從產品性能來看，循環壽命、安全性、倍率性能、高低溫性能不弱于各類鋰離子電池。
從應用場景來看，電芯成本低，性價比高，適合對能量密度要求不高但看重成本的場景。
通過以上維度比較，王振波指出，“我們要考慮鈉電自身的特點，在補充鋰電、替代鉛酸上做工作。”其分析稱，與成熟的鋰電、鉛酸電池體系相比，鈉電的能量密度比鋰電稍差，但優于鉛酸。由此看來，鈉電有希望逐步取代鉛酸電池，同時能夠緩解市場對鋰電的需求。例如，對體積、重量不甚敏感的儲能電站、中低速電動車等。
鈉電池材料：多線并存 共同發展
王振波介紹，鈉電主要由正極、負極、電解質三大核心部分組成，這三大組成很大程度上決定了電池的各方面性質。因而，在理論研究和工廠的實踐論證中，各類正極都有涉獵，每條線路中再分別解決對應材料的短板。
鈉電正極材料主要分為四種，各有優劣：過渡金屬層狀氧化物（容量大，衰減快）、普魯士藍型化合物（循環好，制備難）、聚陰離子型化合物（循環好，導電差）、有機小分子化合物（種類多，易失效）。
具體來看，與鋰電不同，鈉電中的層狀氧化物正極的循環性能較差。這是因為鈉離子的半徑更大，在材料中的嵌脫更為困難，因此表現出較差的性能。改進策略一是通過材料成分調節，抑制不可逆相變，可以提升循環性能；二是通過材料成分調節，減少Ni的用量，可以進一步降低成本；三是對氧、水分敏感，易受到外部環境誘導發生結構、性能退化。
普魯士藍類材料具有空曠的晶體結構，鈉離子嵌脫高度可逆，因而理論上可以實現優秀的循環、倍率性能。但缺點是，材料中的結晶水會影響材料的各方面性能，因而對制備條件要求嚴格。普魯士藍類材料通過改變金屬元素種類，可以調節材料的電壓、比容量，另外通過調節材料中結晶水的含量，可以改善循環、倍率性能。
聚陰離子型材料同樣具有空曠的三維結構，理論上也可以實現很好的性能。但最大的缺點是電子導電性差，必須通過改性才能應用，可通過調整金屬元素種類、陰離子種類，提升材料的電壓；通過錳、鐵等元素取代價格高的金屬元素，降低材料成本。
有機物正極的種類紛繁，因而有許多有機物正極可供選擇。但是，有機物溶于有機電解液，這會給電池的穩定運行帶來較大的不確定性。因此，這類正極材料仍在研究和改性中，暫時沒有工廠實踐論證其作為正極材料的可行性。
鈉電負極材料方面，王振波介紹，也可分為四種：碳材料 （成本低，導電性高）、相轉化材料（容量高，導電性差）、鈦基化合物（穩定性好，導電性差）、合金化材料（容量高，穩定性差）。
根據鋰離子電池發展的經驗，碳材料被研究者最為看好。特別是熱解無煙煤產生的硬碳負極材料，既具有成本低的優勢，也具有很好的電化學性質。這一高性價比的特點正好契合了鈉電低成本的發展理念。
相轉變型鈉電負極成本低，但是不可逆容量大。距離實際應用，仍需要優化材料與電解液的兼容性，進一步提升首次效率。
鈦基化合物負極結構穩定，具有較高的理論容量。但缺點是材料的制備過程復雜，且材料自身存在電子電導差的問題，因此綜合性能都不如無煙煤衍生的碳負極。
合金負極理論容量高，但是工作過程中的體積膨脹容易造成材料粉化失效，因而性能衰減嚴重，不利于長期的電池使用過程。
綜合來看，鈉電負極最有應用前景的負極材料是無煙煤熱解得到的碳材料。對于另幾種負極材料，則需要進一步地補齊短板，特別是提升材料的電子電導和倍率性能。
會上，王振波還提出了鈉離子電池負極材料的改性策略：一是形貌調控。納米化，縮短離子擴散路徑；陣列化，提供直接快速的離子傳輸通道；二是包覆或摻雜改性。摻雜碳、石墨烯、金屬等導電性良好的物質進行改性；缺陷摻雜改性；三是晶格調控與組分優化。優化材料內部結構，復合功能材料，發揮1+1>2的協同作用。
鈉電電解液方面，目前，多數研究者們傾向于使用有機電解質。這是因為有機電解質的電化學穩定窗口更寬，可達到4伏。因而，使用有機電解質更可能實現更高的能量密度。目前，研究者多使用碳酸酯類的有機電解液。
王振波提出，通過調節電解液的組分、比例，可以影響電解液的溶劑化結構，進而形成穩定的固態電解質界面，從而提升電池的各方面性能。其中，SEI膜-電極的關系近似固-固界面，通過調節電解液組分（鹽、溶劑、添加劑）以調節SEI膜可以優化電池性能。電解液的組成會改變電解液的溶劑化結構，從而影響界面的去/溶劑化行為。離子-溶劑化結構與界面行為能顯著影響電池性能。調節電解液體相溶劑化結構，改善去/溶劑化行為的動力學已成為研究熱點。
此外，相對于鋰電，人們發現醚類電解質在鈉離子電池中更耐高壓，形成的固態電解質界面相也具有更好的界面穩定性和界面離子傳輸動力學。缺點則是醚類電解質的成本較高。因而，如果能降低電解質成本的話，醚類電解質的應用將有利于進一步提升鈉電的性能優勢。
鈉電池發展前景：適逢機遇 勢在必行
“前面我們談到的，都是如何選擇優化電池材料。而實際上，電池是作為整體存在的。因此，匹配好正負極和電解質，是實現優秀的鈉離子電池體系的另一重點。據報道，合理的電池設計已經能使得鈉離子全電池循環5000次以上，已經達到電池的商用標準。”王振波分析稱，“在寬溫域上，鈉離子電池未來想要發展要克服它自身的先天不足，拿自己的短板沒法和別人的長處去比，所以要把自己的內功做好，低溫性能、寬溫域做好就可以和鋰電比拼了，另外它的倍率性能也是不錯的，充電時間短就可以占領更多的市場。”
為了提升鈉電在不同工況下的可靠性，對標鋰電池、鉛酸電池等優秀電池體系，王振波建議，需盡可能地拓寬鈉電的工作溫度范圍，提升其在儲能領域的競爭力。同時，考慮到鈉離子電池可能應用在中低速電動車上。十分有必要考慮到電池快充、以及續航歷程的問題。
為了獲得寬溫域、高功率的鈉電體系，王振波及其團隊提出了相關技術路線：先研究材料，后優化電極/電解質的相容性，再探究不同工況下電池的性能，最后通過優化全電池結構優化電池在全工況下的綜合性能。具體研究思路是：
（1）篩選電池正極、負極材料，進行粒度、孔徑、組成、結構等層面上的優化改性；
（2）匹配電解質材料，優化電解質組成、濃度、溶劑化構型，輔以功能性添加劑；
（3）研究以電極為主體，以界面、電解質為重要組成部分的電極體系在不同溫濕度環境、不同充放電條件下的電化學儲能特性，以反饋優化電池體系的設計；
（4）組裝圓柱/方形鋁殼電池，進一步評價及反饋優化全電池的組成與結構，以期在提升鈉離子全電池的能量密度、循環壽命的同時，控制電池成本；
（5）在平衡性能與成本的基礎上，復合超級電容器等器件，以改善電池功率特性。
最后，關于鈉離子電池的發展前景，王振波認為，可以歸結為八個字：適逢機遇，勢在必行。鈉電池在光伏儲能、5G和物聯網產業的移動電源、便攜式后備電源等儲能市場，以及電動兩輪車、三輪車、低速電動車等輕型動力市場潛力巨大。“鈉離子電池整個在市場的情況，需求應該是巨大的，潛力是巨大的，無錫錫山區除了兩輪車，還有三輪、四輪，那么多的車足夠我們去發展了。”
（以上觀點根據論壇現場速記整理，未經發言者本人審閱。）
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