电网系统里用不完的电都去哪儿了?很可能跑到这里了……
18世纪工业革命的兴起,让化石燃料占据了人类经济活动的前端,但由于其带来的污染及不可再生性,人们开始将着眼点放在新能源的开发与利用上。
在如今的21世纪,能源问题仍旧不可避免且刻不容缓。而能源的存储(简称储能),作为连接能量供给与消费的重要环节,在整个能源互联网中起着重要的作用。
不知道大家有没有想过这样一个问题:发电站在持续不断地发电,但我们的用电需求却有高有低。那在用电低谷时,会出现发电量大于用电量而导致电能浪费的情况吗?
其实在正常情况下,电网系统自身是具备自我调节的能力的,可以最大程度上平衡发电量和用电量。
但如果出现了发电量远超用电量,无法通过自我调节来实现均衡的情况,就要借助储能系统将多余的电量储存起来。
在诸多的储能方式中,有一颗冉冉升起的新星,这种储能方式所基于的元素,也是人体肌肉组织和神经组织中的重要成分之一……
没错,它就是钠离子电池储能系统
2021年6月28日,中科院物理所与中科海钠在山西太原综改区联合推出了全球首套1MWh钠离子电池储能系统,并成功投入运行。
1MWh钠离子电池储能系统
该系统以自主研发的钠离子电池为储能主体,结合市电、光伏和充电设施构成一个微网系统,能够实现自我控制、保护和管理;具有灵活的运行模式和调度管理性能,既能并入大电网运行,又能独立孤岛运行;联网模式下与大电网一起分担用户的供电需求,孤岛模式下保证用户尤其是重要用户的正常用电。
此次钠离子电池储能系统的成功研制,标志着我国在钠离子电池技术及其产业化水平走在了世界前列,同时意味着钠离子电池即将步入商业化应用新阶段。
钠离子电池作为一种新型二次电池(可充电电池),近些年的发展势头可以用“迅猛”一词来形容。
为何要大力研发钠离子电池并努力做到产业化?这背后的原因和意义究竟是什么?
这还得从钠离子电池本身开始说起……
钠离子电池的诞生
早在1870年,法国著名小说家儒勒·凡尔纳就在其科幻小说《海底两万里》中描述了他心目中的钠电池。
“将钠与汞混合形成一种合金(钠汞齐),代替本生电池(一种锌碳原电池)中所需要的锌。汞可以永久保持,而不断消耗的钠则可以从大海里源源不断地提取……”
直到1968年,才出现了能在高温下运作、使用金属钠作负极,单质硫作正极的高温钠硫电池。
由于工作温度高,可应用的范围就非常受限,所以为了降低其工作温度,拓展其应用领域,科学家们可谓煞费苦心。
1979年,“摇椅式电池”的概念被提出。何为摇椅式电池?指的是电极材料中的离子可以在电压的驱动下于正负极间来回迁移,就像摇椅可以前后摇晃一样。
“摇椅”模型示意图
自此,钠离子电池的雏形开始显现,并逐渐发展成今天的模样。
钠离子电池的工作原理
和锂离子电池一样,钠离子电池的主要结构也包括正极、负极、电解质、隔膜、集流体等,只是电池内传导的不再是锂离子,而是钠离子。
正负极被电解质浸润以保证离子导通,隔膜用以将正负极隔开防止内短路,集流体则起收集和传导电子的作用。
钠离子电池结构示意图
充电时,钠离子从正极脱出,经电解质嵌入负极,电子经外电路由正极向负极迁移,实现能量的存储。放电过程与充电过程相反,实现能量的输出。
正常情况下,钠离子在正负极材料的嵌入脱出不会破坏材料的晶体结构,使得反应高度可逆,从而保证电池可以反复使用。
钠离子电池的优势
01
钠资源储量丰富
相比锂资源的稀缺与分布不均,钠资源可谓储量丰富且分布广泛。如果对比一下锂元素和钠元素在地壳里的丰富度……
嗯,一目了然
这就使得钠离子电池的制造成本更低、且无发展瓶颈。
02
更廉价的电极材料
在锂离子电池的许多材料中,Ni和Co是不可或缺的元素,但这却都是贵金属。
而钠离子电池却不一样。近些年来,中科院物理所胡勇胜课题组陆续研发出具有可观电压和比容量的Cu基氧化物正极材料以及无烟煤基负极材料。
这使得钠离子电池在正极材料上可脱离Ni、Co等贵金属,转而使用Cu、Fe、Mn等更为廉价的金属;在负极材料上也获得了最高的性价比。
各金属产量对比图
03
低浓度电解液
电解液是连接正极与负极的桥梁,也是离子传输的必经之路。理想的电解液需要兼顾离子电导率、液态温度范围、稳定性等。
按常理来说,电解液中离子浓度越高,越有利于离子的传导。但浓度的上升也会带来黏度变大等其它问题,故不能一味地追求高浓度。
而相比锂离子,钠离子具有更小的斯托克斯半径,故低浓度的钠盐电解液也能同样具有较高的离子电导率,从而减小了黏度所带来的影响。
04
更廉价的集流体
钠不会和铝发生合金化反应,故可以选用廉价的铝箔作为集流体,进一步降低了成本。(由于锂易和其它金属发生合金化反应,故只能选用略贵的铜箔做集流体)
05
更优的倍率性能、高低温性能
所谓倍率,即充放电速率,而高倍率充电就是我们现在常见的快充。钠离子电池显示出了比锂离子电池更优的倍率性能,即可以在短时间内充满电且容量保持率高。
高低温性能即电池可以正常工作的温度区间。相比锂离子电池,钠离子电池可以在低至约-30℃、高至约80℃的环境中正常工作。
06
更高的安全性
可能有的朋友会问,钠的性质比锂更为活泼,那制造出的电池安全吗?
这点大可不必担心,为了避免枝晶带来的安全问题,钠离子电池不会选用金属钠单质作为负极材料(就像锂离子电池不用金属锂单质作为负极一样),而会选用碳类材料作为负极、钠的化合物(钠盐)作为正极。
无论是碳类材料还是钠盐都是稳定的,在钠离子嵌入脱出时不会发生反应,同时能避免产生枝晶。
在安全性测试(加热、过充、短路、跌落、针刺、海水浸泡等)中,钠离子电池能做到不起火爆炸,展现出良好的安全性能。
针刺后的电池无起火爆炸的情况
钠离子电池 & 中科院物理所
由于钠离子的质量、半径均要大于锂离子,这就注定了钠离子电池的能量密度无法与锂离子电池相媲美。
从目前的发展水平来看,钠离子电池可能还无法满足手机这类具有较大电量需求的电子产品。
但由于低成本、高安全、长寿命等优势,钠离子电池可以与锂离子电池形成互补,并且可以逐渐取代铅酸电池,在大规模储能和交通工具上大展宏图。
钠离子电池潜在应用领域
中科院物理所自2011年致力于低成本、安全环保、高性能钠离子电池技术开发,目前已在正负极、电解质、添加剂和粘接剂等关键技术方面申请了50余项发明专利(已授权30余项,其中3项获得美国、欧盟和日本授权),在Science正刊、Nature、Science 子刊及Joule学术杂志发表论文10篇,出版《钠离子电池科学与技术》专著一本。不仅如此,团队还牵头制定了国内首个钠离子电池团体标准。
2017年,陈立泉院士提出“电动中国”构想,钠离子电池产业化势在必行。团队于同年成立中科海钠公司——一家专注于钠离子电池技术研究与生产的高新技术企业,现已建成钠离子电池百吨级材料中试线及百万安时级电芯线,正在山西太原建设年产2000吨钠离子电池正、负极材料生产基地;研制生产出软包、铝壳及圆柱电芯约15万只,综合性能处于国际领先水平,为钠离子电池的商业化奠定了坚实基础。
从2015年习近平总书记提出“构建全球能源互联网”,到2020年我国向世界郑重宣布“碳达峰、碳中和”的双碳目标,对可再生能源的加快推广提出了迫切要求,也为钠离子电池的持续发展提供了巨大空间。我们有理由坚信,未来钠离子电池的发展能取得更大的进步!
拓展阅读
[1] 钠离子电池:中国的机会
[2]《钠离子电池科学与技术》二次印刷 | 钠离子电池:构建能源互联网关键一环
[3] 全球首套1 MWh钠离子电池光储充智能微网系统正式投入运行
[5] 9张图了解电池新星——钠离子电池
[8] 首辆钠离子电池低速电动车问世
[9] 我国学者首次在Science发表电池正极材料研究成果
[10] 震惊,这种电池成分早已在人体中富集
编辑:Eric
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