第668期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《新型电池》
讲座题目：透视新科技——新型电池
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：唐 堃，中科院物理所博士。
陆雅翔，中科院物理所副研究员。
讲座时间：2025年5月26日～6月1日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——新型电池
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》节目！我是主持人胜春，您是否发现随着科技的发展，我们身边的电子设备电池性能越来越好，但是价格却居高不下，科技的发展是否可以给我们带来既便宜又好用的电池呢？通过短片来进入今天的节目。电池进入人类世界已有200年的历史，作为一种应用最广泛的储能装置，在现代生活中具有不可替代的地位，特别是20世纪90年代后，锂电池开始广泛应用，这种体积小巧、电量充足的电池不但推动了便携电子产品的发展，更是在2014年前后带来了汽车行业的动力变革。近几年，随着风电、光伏等新能源行业发展，对储能的需求也快速增长，而使用锂电池进行储能，也成为了一个很好的选择，多种需求的叠加，导致锂电池原料的供不应求。从2020年底到2022年初，短短一年多的时间里，锂的价格上涨了10倍，导致锂电池的价格越发高昂，对相关产业造成较大的冲击，而今一种以钠为主要原料的电池走进了我们的视野。这种新型的电池具有什么优势，它与我们的生活又有着怎样的关系呢？我们首先给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，一位是中科院物理所的博士唐堃，欢迎您！另外一位是中科院物理所的副研究员陆雅翔，欢迎您！
前些年我们一提到电池的时候，其实很单一，就是干电池，这些年怎么出来这么多电池，这是为什么呢？随着我们国家“碳达峰”和“碳中和”目标提出的大背景下，我们其实也是迫切地需要提升非化石能源的消费占比，需要将这种清洁的可再生能源，比如风能、太阳能转化为电能供我们使用。近几年来，我们国家对于可再生能源它的装机规模，其实是已经占比很高了，但是仍然存在着这种弃风、弃光、弃水等能源浪费的现象。光伏、风能是非连续的能源输入，我们的整个电网的发、输、配、用，它是要均衡的，你发出多少电必须运输多少电去，那么有这种新能源的不稳定的输入之后，会对电网造成很大的冲击。比如说我白天是够用的，但突然间到了夜间就没有了，我们之前东北出现的断电政策，就是因为我们那个风场设计的产能。比如说是100，但是那天只发出了7到8，那么就缺电了，所以整个电网冲击会非常大。这个时候就需要有一个大的充电宝，我们把平时不用的风（电）光（电）都存起来，在用不到的时候存起来，在用的时候风能出现短缺的时候，我给补上去。因此，我们发展钠离子电池，可以说是一个解决电子消纳问题非常好的技术，而且，也有助于提高我们清洁能源的利用效率。
过去我们印象当中比较常见的都是锂离子电池、铅酸电池，有哪些缺陷？锂的资源在我国可以说是非常稀缺的，也仅占到了（世界的）6%左右，而且我国的锂资源，绝大多数都是属于盐湖型的锂矿。盐湖型锂矿，它的镁锂比的含量比较高，也就是说锂资源它的品位比较低，开采的难度大成本又高。因此，现在80%的锂资源，还是要依赖进口的。现在当整个电动汽车的趋势无可避免，我们地球上跑着十几（亿）辆汽车，很有可能50%到60%最终终局，都会形成变动化的时候，每辆车需要50度（千瓦时）电，大概需要50公斤的碳酸锂，整个地球上锂资源是不够用的。最近锂资源的稀缺问题出现了，然后我们觉得由于锂70%是在南美洲，属于战略上“卡脖子”的一个事情。钠离子电池是什么时候开始研发？钠离子电池其实它的研发是和锂离子电池同步的，大概是上世纪70年代。因为它的原理是类似的，只不过是把里边的核心的载流子从锂换成了钠，但它整个电池的结构反应的机理，还有电池本身的生产制造都是跟锂电池类似的。说到这儿，大家可能想了解钠离子电池到底是一种什么样的电池呢？我们通过记者编辑的短片去了解一下。
钠元素在化学中与锂元素同族，属于碱金属这一族的元素性质活泼，容易在反应时失去电子是制造电池的理想原料，钠离子电池就是以钠离子为电荷载体的电池。当对电池进行充电时，带正电荷的钠离子从正极出发进入电解池，穿过隔膜到达负极并储存在那里。依靠钠离子在正极和负极之间移动，就可以完成充电或放电，那么钠离子电池与锂电池相比具有哪些优势呢？说到钠离子电池，我们要让大家了解它，我想首先两位给大家介绍钠离子电池到底它优秀在哪儿？钠离子电池不受钠资源的限制，而是现在钠离子电池其他的一些原材料，比如用到的铜铁锰基的材料，还有无烟煤基的负极材料，这些的材料都非常常见，而且这些材料的价格，比锂离子电池要低30%左右。锂资源相对来讲，是地球上非常稀缺的，应该是0.064%，钠元素是地球上排名第六的元素，所以说这个元素的丰度上是非常高的。然后给大家说一个数字，可能会更敏感，一吨碳酸锂目前价格是在三十几万每吨，一吨碳酸钠是两千块钱一吨，价格就代表了稀缺性，所以说钠离子电池，我们摆脱了对贵金属的依赖。
过去我们在使用铅酸电池的时候，会有一个使用的经验，就是一开始的时候电充满了，这个电瓶车可以跑50公里，后来你发现用了半年之后，40公里，30公里，20公里，一点点在往下掉。钠离子电池会不会出现这样的问题？铅酸电池之所以它的容量会掉，就是与它的循环寿命不高有关，那么它一般，仅可以循环300次左右。我们的钠离子电池现在的循环寿命，可以做到铅酸电池的10倍之上，目前测试的结果是可以达到5000次左右，那么5000次是一个什么概念？就是说如果我们每天对电池进行一次充放电的话，那么我们可以使用钠离子电池13年左右，所以它的寿命一下子就比铅酸的可以说是大大地提高了，随着我们对于钠离子电池研究的深入，我们也总结出了钠离子电池的其他的优点。那么就是长、宽、高，长就是指的是长寿命，宽就指宽温区，而高就指高安全，也就是说钠离子电池它除了成本低以外，还有这些比锂离子电池，甚至更加优秀的一些性能。宽温区怎么理解？温度上我们的优势还是相对比较明显，我们在北方其实电动车最大的焦虑就是它的冬天的续航断崖式衰减。我们可以看到在北京经常会有报道，续航宣称是600公里的，可能只能跑200多到300公里，核心的问题是来自于使用磷酸铁锂电池体系的话，我们冬季的续航衰减率确实就是很低，我们自己做完实测，磷酸铁锂电池在零下40度下，它的能量的保持率只有37%。在零下20度大概只有50%到60%，那我们钠离子电池体系，我们在零下40度还可以保持到80%，我们在零下20度可以到90%，所以这些钠离子电池在动力学上一个天然的优势，我们不受低温的影响，或者受电的量很小。
而且，钠离子电池它的高温性能也比较好，那么可以到80度左右，在这样的一个宽温区里面，它都是可以工作的，所以说钠离子电池，它既能抗冻又能耐热。过去我们听说过类似的新闻，锂离子电池用了不合格的充电器会爆炸、燃烧，新能源汽车也有类似的事件发生，钠离子电池安全吗？钠离子电池我们认为是不会弱于锂电池，因为它的相对来讲整个能量体、能量密度比锂电池还是要低一些，而且我们的负极材料，我们结构上比石墨更稳定，然后整个电解液的稳定性比目前锂电池的溶剂里边，也有一些区分。但我想讲的没有绝对的安全，在作为一个能量体，它都是有风险性的，所以钠离子电池，我们是说我想打造一个安全的使用环境，我们使用高品质的材料，包括您讲充电器，很多锂电池爆炸，它不是锂电池有问题，它是用了廉价的充电器，就是说你为安全付多少成本，它才能对应地说这个安全度有多高。另外就是整个使用场景上来讲，更多的能源系统的调用，它可能是整个管理，包括一些空调，包括一些水冷，包括一些安全的措施，所以说我们认为没有绝对的安全，但是我们相信钠离子电池是一个相对可以非常安全的一个电化学体系。说到这，我们去了解一下钠离子池的安全性。
锂离子电池虽然具有能量密度高等优点，但是频频出现的自燃事故还是对其推广及发展造成不小的影响。锂离子电池之所以容易自燃，主要是因为随着充放电次数的增加，金属锂会产生枝晶，枝晶生长得越来越长，就会刺穿电池内部结构造成短路，严重时就会造成锂电池燃烧爆炸，而钠离子电池在充放电过程中产生枝晶的概率要低很多，从基础原理上减少了发生自燃的可能性。另外，科研人员还进行了大量挤压、穿刺等外力破坏实验，钠离子电池均能保证不起火、不爆炸。那么具有较高安全性的钠离子电池在我国的发展情况如何呢？接下来我们想知道钠离子电池，目前的发展情况是什么样的？钠离子电池的研究，早期其实确实是落后于国外的，但是近几年我们的钠离子电池，在我国的发展可以说是非常迅速的，为什么？因为早期大家对于钠离子电池的研究，是借鉴于锂离子电池研发的经验，比如我们手机中使用的是钴酸锂，那么当时科研人员就把钴酸锂中的锂替换成钠，把它变成钴酸钠，来让它作为钠离子电池的正极材料去研究，但是这样的一个问题是什么？就是导致的钠离子电池的材料，从能量密度上是无法与锂离子电池比的，我们就必须去发挥钠离子电池它本身自己特有的一个优势。
如果我们又去用到镍、钴这些稀缺的元素，也是无法发挥钠离子电池低成本的优势的。那么我们国家的科研人员，从2011年起，就开始致力于低成本，安全、环保的钠离子电池的研发。从2015年，我们就开始了钠离子电池的工程化的探索，那么我们就是有序地推进关键材料的放大生产，那么还有电芯的研制，目前也是研发了各种比如软包、方壳、圆柱这样电池达到了上万只。2017年，我们就开始推进钠离子电池的示范了。钠离子电池其实我们用了，大概是10年的时间走了锂电池30年的路。刚才讲到我们的制造，我们为什么能在短短的几年之内实现兆瓦时级的应用，因为本身我们是依赖于锂离子电池，整个产业链的构建，人才的团队的搭建，包括整个工业体系的构建。这是一个综合的成长。一个综合的成长。在我们国家，目前钠离子电池上有没有更大的应用？发改委跟能源局去年（2021年）刚刚出台了一个政策，关于大力发展新型储能系统的示范的工作，钠离子电池就首次出现（在）国家级的文件里边，这个是我们过去多少年的一些努力工作的一个肯定。就是说大家终于不再相信钠离子电池只是存在于文献上的一个科研结果，而是真正走进了一个产品化。刚才做完介绍，如果电动化的趋势无可避免，那么我们电动汽车就能完全消耗掉（全球）锂资源。
那么国家的双碳战略，我们的新能源的接入需要更大的储能电池，谁来能扛这个大旗，或谁能完成这个任务？我们提到了我们钠离子电池的缺点是什么？它就是个头稍微大一些，重量稍微沉一些。我们钠离子电池应该不会用在手机上，不会用在平板上，可能也不会用在高端的汽车上，因为它稍微大一些。但是在储能应用领域，大家可以看到我们光伏电站是建在沙漠上，海上风电在大海上，其实它对空间要求没有那么高，正好是我们钠离子电池的一个用武之地。而且目前二次电池来看，锂离子电池是目前性能最好，响应速度最快，能量效率最高的体系，我们刚才提到钠离子电池完全具备锂电池所具备的这些特性，我们觉得钠离子电池更适合的是规模储能，这是一个更大的赛道。从未来世界的发展来讲，储能有多重要？我们国家最近接连出台的双碳政策，以及后续的一系列指导意见就能看出，应该是整个社会都关注到储能，其实储能这个词也更多地进入到千家万户，那么这个逻辑是什么？就是说我们发布了双碳战略，然后我们提出要构建新型电力系统，那么什么叫构建新型电力系统？就是我们传统的能源体系是依赖于石油，依赖于煤，这种过去的生物质，来做的这种主体输入的，但是整个它是受限于资源的，而且是环保上也会有问题。那么提出双碳（目标），就是说风能、光伏，我们在过去的十年里，中国投入了大量的研发跟生产，现在整个发电成本下降到非常低。目前有个数字就是我们的光伏发电的上网成本小于（1.5角），那么当我们储能的电价成本降到2（角）钱的时候，（1.5角）加2（角），我们就可以去小于传统煤电或者石油发电的（3.5角）的成本，那我们就真的是重新构造了我们的新型发电系统的一个能源体系，这是储能最大的意义，这也是我们发展钠离子电池这种更便宜的规模储能体系的动机。
刚才两位提到规模储能，我们应该怎么理解？规模储能我讲的是光伏电站大概几百亩的光伏，上千个风力发电机，我们要相配它的这个储能，我们可能都是到Ｇ瓦时级，就Ｇ瓦时是10的9次方瓦时，这个非常多，可能你看到我们现在国际上最大的储能电站，都是大概几百个集装箱在装，所以这就是规模的储能，而且这个场景是非常适合我们钠离子电池的。规模储能它主要应用的场景，比如说大型发电站。新能源接入对电网的冲击会比较大，现在发改委在好多省会有要求强制配储能，就是你不能对电网里冲击，你如果说你这个发电风机发电是能发100度（千瓦时）电，你至少要给我配20度（千瓦时）电的储能系统。就是你可以做一个缓冲层，这是一个政策驱动的，但是未来它可能会具有经济性，就是目前用锂电池相对来讲还是没有经济性，为什么要强制配？强制配就是说成本上还是太高，我们觉得钠离子电池我们下一步发展成本继续下降的话，完全可以具备经济性。两位能不能给我们举一些例子，在我们国家的具体应用？
我们目前应该是在国际上，中国是首次实现了在储能领域的应用。我们中国最新的新闻是在去年（2021年）的6月份，在山西太原，我们首先实现了兆瓦时级的钠离子电池储能电站的投运，基本上兆瓦时级就可以认为已经摆脱了示范的角色，我们可以进入到规模应用了，今年可能很快就会有十兆瓦时到百兆瓦时的钠离子电池储能电站的示范应用，所以说我们觉得在产业化领域，我们中国是走在世界的前列的。就目前我们的应用的情况上来看，钠离子电池它还有哪些缺陷或者需要我们去突破的技术难点？我们刚才也介绍钠离子电池是碱金属元素的第二位，锂、钠、钾、铷、铯，它的个头比锂电池要稍微大一些，钠离子电池的能量密度要更低一些，我们钠离子电池现在的能量密度大概能达到锂电池的70%到80%。另外我们的钠离子电池的循环寿命来讲，虽然已经达到了5000次，其实相当于锂离子电池目前的水平，但是我们对比于最好的，比如钛酸锂这种电池的来讲，它的循环寿命，可以达到一万次来讲，那么我们的钠离子电池，还是有一些差距的，所以未来我们要发展更高性能的电解液，来使电极材料更加地稳定，使钠离子电池的循环寿命也进一步提升。那么当达到一万次左右的循环寿命的话，我们的钠离子电池就可以服役相当于20年以上用到我们的规模储能上，可以使它的成本进一步降低。刚才您说的是研发的一个逻辑，那在实际市场应用当中，从商业逻辑上来讲，我们有那么乐观吗？
现在我们可以讲我们信心是越来越足。为什么呢？一方面是两个维度，一个是自身我们产品的竞争力是越来越强，然后我们可以看到我们产品，从我们的能量密度也是从80瓦时每公斤，最近提升到了150到160。在过去的4到5年里，我们的循环寿命，刚才陆老师介绍，我们现在最长可以循环5000次，但是大概是3年前到4年前，我们的循环寿命记得非常清楚，是1800次，锂电池目前最好是1万次。我们是很有信心把我们的循环能赶上，因为我觉得我们从反应原理上到材料结构上是具备这个技术，我们只需要的就是更多的时间，更多的支持，更多的政策，更多的应用场景去做调试，我觉得我们的天花板我们是看不到的，所以我们有信心做到。您刚才说的天花板看不到的，我们应该怎么理解？磷酸铁锂电池，可能天花板就是160、170到200瓦时每公斤。但是钠呢？钠，我们觉得我们上限可能比磷酸铁锂是要更高，相对于锂电池的三元镍钴锰，我们可能要差一些，但我很有可能能超过磷酸铁锂。说到这儿，我们去了解一下我国的新型电池行业，是如何发展起来的？我们来看短片。
20世纪60年代，国际石油价格持续走高，使科学家们认识到有必要开发替代能源，减轻对石油的依赖，而通过电池储能被认为是最佳选项。1966年，美国科学家采用钠元素研制出钠硫电池，这种电池的各项性能远超当时处于统治地位的铅酸电池，但是钠硫电池的工作温度高达300°C，极易引发安全事故，因此一直没有大规模应用。而到了1977年，锂离子电池理论有了新突破，并在1991年率先生产出实用化的电池。在这之后，新型的钠离子电池借鉴了锂离子电池的原理，开启了新的探索道路，但是此时市场已被锂电池占据，钠离子电池实用化进程困难重重。近几年来，随着新能源的发展，大容量储能电池这一“赛道”悄然开启，终于在钠离子电池领域我国率先突破，2011年研制出了具有完全自主知识产权的钠离子电池，2019年首座钠离子电池储能电站问世，2021年全球首套1兆瓦时钠离子电池储能装置成功投入运行。那么，钠离子电池技术的这些突破意味着什么？未来它将如何影响我们的生活？钠离子这么便宜，未来可以用到新能源汽车上吗？
从能量密度上来讲，钠离子电池确实是现在比锂离子电池要稍微低一些的，因为这是由钠离子本身，它的重量半径都比锂离子大所决定的。我觉得我们纳离子电池，在另一个细分领域，那么也就是我们大家现在常说的低速电动车，或者是微型电动车领域是有它的用处的。低速电动车和微型电动车，它指的就是续航里程，在300公里以内的这样的一些车，比如我们景区的一些观光车，还有我们小区里送货的一些三轮车，还有一些货车等等，短途的。对，短途的这些，我觉得钠离子电池，它是可以在这样的一个领域去运用的。为什么不能用长途？那么就是因为它的续航里程，现在还不能够达到和锂离子电池相同的这样的一个水平，它的能量密度还是略低于锂离子电池。我们认为钠离子电池相对还是一个偏早期的状态，虽然说我们刚才讲整个工艺路线，跟原理上是跟锂电池相同，是站在锂电池整个产业的这个“巨人”的基础之上，但是钠离子电池毕竟是一个相对新生。我们团队我们做这个事情10年前我们开始有整个材料体系，物理所的胡勇胜老师提供了正极材料负级材料，我们把它组成电池，大概是5年前，我们是真的做出了一块近似于商品化的一块电池。怎么理解近似于商品化的电池？
可以批量地做了，我们大概是做了几千只电池，然后做了各种测试，在两轮车、三轮车，包括100度（千瓦时）电的储能系统上都做了验证，一个产品的成熟是需要时间的，我觉得可能把我们钠电池可以看作大概是五六年前的磷酸铁锂电池，大概是这个维度。我们想想五六年前，我们的电动车是什么状况？大概只能续航180公里，而且现在我觉得当时跑的车可能现在都已经不行了，那么我们现在再看，我们整个电动车，整个续航500公里是起步，然后产品质保30万公里都没有任何问题，我觉得钠离子电池有一天也有可能会实现这样的，但是是要给我们一定的时间周期，我预测可能是3到4年，我在能量密度上稍微弱一些，但是我们大概给个数字，我认为是打7折到8折，就相对于磷酸铁锂在目前这个阶段。但是当一（辆）磷酸铁锂的电动车都可以续航600公里的时候，像刚才陆老师介绍的那么400公里以下，钠离子电池是完全可以适配的。好，聊到这个话题，我们看看我们记者先前编辑的短片。
近十年来新能源车行业和锂电池行业的高速发展，使锂资源相对紧缺的问题暴露了出来，这也成为新能源车行业未来发展的最大瓶颈。因此很多相关专家希望未来采用锂离子电池和钠离子电池混合装车的方式，这样既满足了市场基本需求，也提高了新能源车的低温性能。但钠离子电池未来的应用不止于此，廉价、安全、环境适应性好的特点，还会使它在哪些领域能够一展身手呢？钠离子电池未来还可能应用到哪些领域上？我们经常见到工地上的装载机，还有挖掘机，那么这些重工业机器，它们用到的都是柴油机，可以说是城市里的污染大户，但是这些机器通常在工作的时候，我们知道一般也都是在极端的条件下在户外操作的，那么有时候，天气热的时候，地表的温度就可以达到50°C，在严冬极寒的时候，又可能达到零下20°C。那么如果要让这些机器新能源化，如果用锂离子电池的时候，可能就并不容易，那么而用我们的钠离子电池，我们刚才提到钠离子电池是既能够耐高温，又能够耐寒，就可以使这些重工业型的机器用上我们的钠离子电池。我们想用的还是我讲的储能，刚才讲了规模储能，还有户用储能，其实我们国内最近推了一次，叫作全县的光伏计划，好多农民的家里面都是会上光伏板，这个实际上是光伏的发电，是很难直接上网的，其实都会配一个储能系统。我们现在用的还是锂离子电池，老百姓还是要付出多余的成本，或者说需要一些政府的补贴。
钠离子电池我们可以降低成本之后，我们是可以完全替换到千家万户的规模储能，户用储能各种领域，其实你可以把电池理解成是一个能量体，其实我们电池存在是让这个能量体可移植、可运输，储能这个产品无论是不是钠离子电池，只要它越来越便宜，我们一定会在更多的应用场景下看到它。随着我们研究的不断深入，未来钠离子电池会怎么改变我们的生活呢？在老百姓的生活里，就是我们在家庭侧，我们可能自己会装上光伏板，因为这个是我们低碳环保的一个需求，那么我们自己会配一个储能柜，5度（千瓦时）电到10度（千瓦时）电，基本上能存够你一天的使用。而且，如果你存得多的话，你可以上网卖给国家电网。未来可能在农村使用光伏板的地区，家里可能会有一个设备间，专门放钠离子电池。对，可以做你的备用电源，就是你如果电网停电，你还可以给自己家供电一天，其实它不用单独地去腾出一间房间去（放）钠离子电池，因为我们钠离子电池的能量密度，比铅酸还是要高出不少的，所以你只需要把钠离子电池可能作为一个像冰箱这样的一个柜子储能柜，可能就完全够用。2017年，我们陈立泉院士就提出了“电动中国”的梦想，那么它指的就是交通电动化、设备智能化、能源低碳化，我想在这三个领域钠离子电池，可能在未来都是大有作为的。今天非常感谢两位来到我们演播室，跟我们解读新型电池，在这里也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目！如果您想了解我们过往的节目，可以下载央视频收看我们以往的节目。好，我是胜春，今天的节目就到这儿了。
（通讯员 邓辉）
