中國儲能網訊：我國《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》及《關于加快推動新型儲能發(fā)展的指導意見》中，提出加快鈉離子電池等技術研發(fā)及開展規(guī)模化試驗示范。這充分表明鈉離子電池技術研發(fā)已上升為國家戰(zhàn)略。相比于鋰資源的匱乏，鈉在我國的儲量豐富，價格更為便宜，因此鈉離子電池在大規(guī)模儲能領域具有廣闊的應用前景。然而目前鈉離子電池在產業(yè)化進程中尚存在能量密度較低、循環(huán)壽命較短等問題，嚴重限制了進一步的應用。
圖1 固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心鈉離子電池基礎研究進展
中國科學院青島能源所崔光磊研究員帶領的固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心從2011年開始布局鈉離子電池，結合國家重大戰(zhàn)略需求和基礎科學問題為一體，立足前沿，獨辟蹊徑，開發(fā)了多項鈉離子電池關鍵材料和電解質關鍵技術，近年來取得了一系列重要成果，為鈉離子電池產業(yè)化發(fā)展奠定了研究基礎。2015年，該技術中心通過激光打孔聚酰亞胺石墨膜，開發(fā)了多孔石墨集流體及相應預鈉化技術，顯著降低了成本，提高鈉離子電池的能量密度（Electrochemistry Communications 2015, 61, 84–88; Journal of Power Sources, 2015, 297, 457-463; ZL201510242864.9）。2016年，通過原位固態(tài)化技術開發(fā)出高離子電導率的聚丙烯酸酯基聚合物電解質并進行專利保護（ZL201610150608.1；ZL201611224300.3），改善了固態(tài)電解質與電極材料間的界面離子傳輸性能，實現(xiàn)了鈉電池倍率性能的大幅提升。2019年，構筑了甲基乙烯基醚-馬來酸酐共聚物固態(tài)聚合物鈉電池，組裝的軟包鈉電池在彎折或者切角苛刻條件下仍能安全工作，不發(fā)生漏液或起火危險（Nano Res. 2019, 12, 2230-2237；ZL201911259343.9；ZL201911357076.9）。2022年，為進一步提升電解質的安全性，該技術中心又設計開發(fā)了兼顧高電壓穩(wěn)定性的磷酸酯阻燃新配方（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 15, 17444–17453）和本征安全、綠色環(huán)保和成本低廉的水系電解質（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022, 14, 29, 33041–33051；ZL202011071670.4；ZL202111281780.8）。
近期，固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心在低成本鈉離子電池領域再獲重要進展，研究成果相繼發(fā)表在國際權威期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》、《Adv. Energy Mater.》和《Energy Storage Mater.》上（圖1）。針對傳統(tǒng)水系電解質中的自由水分子導致析氫、電極金屬離子溶出等問題，研究團隊通過甲基化調節(jié)氫鍵作用獲得了鈉離子電池超高濃聚合物電解質新體系，鈉電池的循環(huán)穩(wěn)定性實現(xiàn)突破性提高（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202311589）。同時，研究團隊發(fā)現(xiàn)鈉金屬負極SEI中NaH是影響電池性能的主要因素，是導致鈉電池失效的一種重要機制，NaH是由電池循環(huán)中產生的氫氣和已沉積的金屬鈉自發(fā)反應生成的（Energy Storage Mater. 2023, 61, 102891）。研究團隊針對當前鈉離子電池電解質領域，進一步總結了當前鈉離子電池電解質中的基礎原理和研究進展，并對電解質未來發(fā)展方向進行了展望（Adv. Energy Mater. 2023, 2301758）。
圖2 青島能源所固態(tài)鈉離子電池應用示范
基于上述研究基礎和技術積累，經過十余年的努力，崔光磊研究員帶領的固態(tài)能源系統(tǒng)技術中心成功研制出低成本、高安全、高性能的固態(tài)鈉離子電池。目前研發(fā)的固態(tài)鈉離子電池電芯能量密度超140 Wh/kg，電池模組比能量密度超110 Wh/kg；具有超高安全性，可以通過針刺測試，不冒煙、不燃燒、不爆炸，已實現(xiàn)在二輪電動車的示范應用（圖2）。未來，該團隊將按照不同應用場景，重點瞄準低速電動車、新能源汽車48 V電源系統(tǒng)、家庭儲能等領域，持續(xù)開發(fā)滿足市場系列鈉離子電池關鍵材料和核心技術。
