电网系统里用不完的电都去哪儿了？很可能跑到这里了…… | 中科院物理所

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导读


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……

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！

扩展阅读：

背景简介：文章2021年10月10日发表于微信公众号 中科院物理所（电网系统里用不完的电都去哪儿了？很可能跑到这里了……），风云之声获授权转载。

责任编辑：杨娜