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【执着“钠”十年 钠离子电池迎来“破晓”】“如果失败了呢?”

“成与不成,这辈子只干这一件事。”

当众多人聚焦锂离子电池的时候,他把目光转向了“冷门”的钠离子电池,这“一眼”就是10年,也是这“一眼”打开了钠离子电池产业化的大门。此时的胡勇胜,不仅是中国科学院物理研究所研究员,还是中科海钠的创始人。

不久前,中科海钠生产的全球首款具备自主知识产权的钠离子电池实现量产,目前电芯产能可达30万只/月。

全球首辆钠离子电池低速电动车亮相中科院物理所九十周年所庆 胡勇胜供图

从“一枝独秀”到“珠联璧合”

历经200余年的电池在新一轮能源革命中迎来“大浪淘沙”。二十世纪九十年代,在众多二次电池中,锂离子电池率先抓住机遇强劲发展。

据中关村储能产业技术联盟2019年统计数据显示:在全球电化学规模储能示范项目中,锂离子电池的占比高达80%。

然而锂离子电池却面临无法回避的“天花板”。“在二次电池中,锂离子电池的性能虽是最好,但锂资源的储量有限,且70%分布在南美洲,而目前我国80%锂资源依赖进口。锂离子电池难以兼顾电动汽车和电网储能两大产业。”胡勇胜告诉《中国科学报》。

“一枝独秀”的锂离子电池已无法全面改变传统能源结构,“百花齐放”的二次电池中,替代或补充锂离子电池的储能技术成为国际新能源技术的竞争热点。

不仅如此,曾经的“主力队员”铅酸电池因其不可避免的环境污染及无法满足新国标标准面临“退役”问题,2019年4 月,《电动自行车安全技术规范》强制性国家标准规定电动自行车的整车质量(含电池)不高于55kg,但目前市场上铅酸电池电动自行车重量普遍超70kg。

“目前碳酸锂大概4万元/吨,如果用锂离子电池替代铅酸电池,电动自行车的成本将大幅上涨。而碳酸钠平均仅有2千元/吨,用钠离子电池替代铅酸电池的优势显而易见。”胡勇胜告诉记者。

在胡勇胜看来,钠离子电池具备低成本、长寿命和高安全性能等优势,不仅能在一定程度上成为锂离子电池的补充,缓解锂资源短缺的问题,还能逐步替代环境污染严重的铅酸电池,保证国家能源安全和社会可持续发展。

值得一提的是,钠离子电池巨大的储能市场还包括光伏、风能等新能源接入储存系统。据了解,2018年我国弃光、弃风、弃水电量共计1022亿度电。胡勇胜指出:“储能是智能电网的重要环节,钠离子电池因其成本及资源优势将在大规模储能市场中大有作为。”

“此外,钠离子电池凭借其诸多优势还有望在低速电动车、电动船、数据中心、通讯基站、家庭/工业储能领域快速发展。”胡勇胜表示。

中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首辆钠离子电池低速电动车 胡勇胜供图

“要做用户最需要的”

近年来,国际领域纷纷加码钠离子电池研发。2020年,美国能源部明确将钠离子电池作为储能电池的发展体系;欧盟储能计划“电池2030”项目将钠离子电池列在非锂离子电池体系的首位。

实际上,在胡勇胜团队开展钠离子电池研究时,虽然钠离子电池不是热门领域,但已有其他团队在研究,但胡勇胜给自己定了“做科研就要做用得上的研究,做用户最需要的钠离子电池”的目标。

“我们要做老百姓能买得起的低成本、高安全的电池。”为此,降低电池正负极材料成本成为胡勇胜团队首先思考的重要课题。实际上,目前锂离子电池常用的活性元素是Ni和Co,但成本较高,能否找到又有活性成本又低的元素替代呢?通过不断的研究,胡勇胜团队惊喜地发现Cu在钠离子电池中不但具有活性,而且成本只有Co的1/4和Ni的1/2,正是替代Ni和Co的“完美”元素,经过多年的探索,胡勇胜团队最终成功研制出Cu基钠离子层状氧化物正级材料。

挑战接踵而至,能否降低钠离子电池负极材料成本呢?“当时,石墨作为成熟的锂离子电池负极材料却几乎不具备储钠能力;无定形硬碳是众多研究的焦点,但价格较高。通过对碳源前驱体进行调研,我们发现无烟煤的成本平均1800元/吨,如果用无烟煤制备无定形碳负极材料将有利于大幅降低电池成本。基于这样的考虑,我们立即开始实验,最终研制出了无烟煤基钠离子电池负极材料。”胡勇胜回忆道。

在团队成员、中科院物理所副研究员陆雅翔看来,成功降低钠离子电池成本的关键在于敢于另辟蹊径、大胆创新。“在当时,国内外对钠离子电池的研究主要集中于借鉴锂离子电池的研发思路,所以迟迟没有突破性的进展,我们没有跟随大家的脚步,而是另辟蹊径,大胆尝试,挑战别人忽视的、认为不可能的道路。”

在攻克钠离子电池正负极材料成本问题后,胡勇胜团队继续深入挖掘钠离子电池的其他优势,发现钠离子电池不仅拥有更好的安全性,在遇到零下40度的低温时,钠离子电池汽车还能释放80%的电量,比锂离子电池汽车更加“耐寒”。“此外,钠离子电池汽车充电速度更快,仅需20分钟,接下来将挑战10分钟的充电速度。”胡勇胜告诉记者。

对于电池制备而言,建立完整的生产线不仅重要而且投资巨大,值得一提的是,钠离子电池可以直接使用锂离子电池的生产线,无需重建。“不久前,我们使用锂离子电池生产线生产了8万支钠离子电池。正因为可以直接使用锂离子电池的生产线,钠离子电池市场化的速度将更快,可以站在前人的‘肩膀’上,我们也无比感激。“胡勇胜表示。

目前,胡勇胜团队在钠离子电池正负极材料、电解液等关键材料体系和电芯制造、装配工艺等工程技术上都已具备完全自主研发能力,产品核心专利已获得中国、美国、欧盟等多个国家和地区的授权。

中科院物理所和中科海钠设计制造的全球首座百千瓦时钠离子电池储能电站 胡勇胜供图

眼前有产业 脚下有科研

实际上,胡勇胜与物理所的缘分已有20年。2001年,胡勇胜便来到物理所攻读博士学位,师从陈立泉院士,也正是这一份师生谊改变了胡勇胜未来的职业生涯。

博士毕业后,胡勇胜先后到德国和美国进修,就在完成学业之时,陈立泉联系胡勇胜,希望他能回到物理所工作。

“我毫不犹豫地就回来了,因为我的导师和团队凝聚力。陈老师始终心系国家能源安全,从长远出发推动电动中国梦想的实现,不畏困难,敢于挑战,这种家国情怀和科研精神令我敬佩。此外,陈老师满心栽培学生,他带领下的团队有激情、有梦想、有情怀,我非常喜欢团队的科研氛围。”胡勇胜回忆道。

在当时,团队成员都为自己设定了研究方向和目标,“做用户最需要的钠离子电池,这辈子只做这一件事”正是胡勇胜为自己定的目标。

“当时国内的科研条件随着国家的发展有了很大的改善,此外,中科院也提供了很好的科研平台和转化平台,作为科研人员,如果我们还不能做出点成绩,就真的太对不起国家,对不起老师了。”胡勇胜坦言,“实际上,我也想过可能失败,但如果大家都在观望一个领域时,它可能是机遇,如果大家都已经开始做了,可能它就不再是机会了。”

树立目标容易,将目标变成现实并非易事。付诸实践的头几年,是胡勇胜最困难也最难忘的时光。“由于国际上关于钠离子电池的研发并没有实质性进展,很多要从零开始。那些年,我们每天都在挖空心思地研究钠离子电池技术,’早晨捧着希望来,晚上带着失望归是常态,那是研发最困苦的时期,也是我最安静思考且难忘的时光,这为钠离子电池成功研发奠定了坚实的基础。”胡勇胜回忆时感慨道。

在胡勇胜看来,产业化与做科研完全不同,“基础研究强调前沿性,而产业化要做以用户为导向和市场需要的产品,不能为了新而新。此外,实验室研究阶段很多问题是看不见的,而当进入工程化阶段后,要保证产品的一致性和稳定性是很有挑战的事情。”

酒香也怕巷子深,寻找投资人和合作者,为科研成果注入转化资本,是每个科研成果转化征程中的必经且不易之路。产业化初期,出差作报告、谈合作、找厂家是胡勇胜的常态,为此他幽默地说道:“那些年,我不是在出差,就是在出差的路上。”

在陆雅翔看来,不管再忙,胡勇胜都会“挤”时间思考电池的技术研究,跟团队探讨灵感和难点,“胡老师总有用不完的精力,即使再忙他都会利用零碎的时间阅读最新文献,关注科研最新动态,思考问题的解决方案,这种勤奋和科研热情也激励着团队。”

随着钠离子电池产品的优越性能和低廉成本逐渐被国内外所认可,胡勇胜也从最初的主动找合作,转变为越来越的合作“找上门”,产业化的“羊肠小道”逐渐走成了“康庄大道”。

十年磨一剑,今年,是胡勇胜团队深耕钠离子电池的第10年,也是中科海钠市场化的“破晓”之刻,他对未来充满了期待,期待钠离子电池走进寻常百姓家,期待钠离子电池成为守护国家能源安全的“主力军”,“但科研是产业化的基础,在带领团队产业化的同时,还必须潜心科研,为钠离子电池实现充电更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未来夯实基础。“

“高山仰止,景行行止,虽不能至,然心向往之。“胡勇胜感慨道。

初禅、二禅、三禅的境界是怎样的?

◎ 宣化上人

初禅有三天,二禅有三天,三禅有三天。初禅三天是梵众天、梵辅天、大梵天。

“梵众天”:什么是叫“梵”呢?梵就是清净的意思,这个初禅天的欲念更轻了,所以就叫“梵”。梵,这个地方所住的一切天人都是清净的,这是梵天的天民,所以有“众”。

“梵辅天”:这也是清净而做天上的宰官,在天上做官的,所以叫“辅”,就是辅佐大梵天王。

“大梵天”呢?就是大梵天王所住的地方,他是一个很用功修道的人,但是他只知道修天福,而没有得到开悟证果,所以修道修完了之后,他就生天了,生天就做大梵天王。这大梵天王,有梵众天、梵辅天来拥护他,这是初禅三天。

这“初禅三天”叫“离生喜乐地”,离开生死,那个地方非常欢喜的。在我们人用功得到初禅的境界,可以到初禅天上去,可以见到天上大梵天王、大梵天王的宰官、老百姓。

你能到初禅天的境界,你的脉就停止了,你那么一打坐脉不动。我们一般人的血脉若不动呢?这就死了。但是你这种境界,是因为你这个自性能到达初禅天上去。你身体上的血脉、脉络停止了,不流动了,但这并不是死,这也可以说是入初禅的定,或者入一个钟头、两个钟头、三个钟头、五个钟头,或者一天、两天、三天、五天、十天、二十天,你这脉都不动。脉不动,可是身体不会坏,我们一般普通人死了,到了七天之后,肉就臭了,身体坏了。但是你能用功有这种境界,你的身体不会坏的,不管入定多少日子,这个身体还是一点都不会坏的,这是入到初禅三天。

“二禅三天”,是少光天、无量光天、光音天。怎么样能生到这天上呢?就是要去欲断爱,没有淫欲心;你若有淫欲心,那么不能生到这个天上了。这每一层天比每一层天都高一个阶级,为什么阶级能高一层呢?因为他这个欲念没有了,欲念轻了,一层比一层的欲念就减少,减轻。

这二禅天,有少光天,这个天的天人身上也都有光,这个光比夜摩天的光更大了。不过在这一层天,在这二禅三天中,这少光天的光较其他两层天的光都少。为什么他有光呢?就是因为他在世间上的时候持戒清净、专守戒律。梵众天、梵辅天也是守戒律的,不过守得没有那么好,清净是清净,但没有发光。少光天守戒律不单守得好,而且生出一种光明来,所以生到这种天上。

“无量光天”:前面那个是少光,这个光呢?有无量光,没有数量。

无量光天再上一层就叫“光音天”。这光音天的天人怎么样讲话呢?就用光来说话。所以讲光学,好像电视都有一点电光的作用,由光来代表说话。这光音天的天人不讲话的,并不是说他不会讲话,而是他不用语言来说话,就用光来说话。有的法师就批评说光音天的天人是不讲话的,没有语言,没有文字,用光来代表语言、文字,他根本就不会说话。不是这样子的,他若不会说话,这光音天不就都变成哑巴了?那比这会说话的有什么好呢?这光音天既然是用光来代表说话,他自己变成一个哑巴,那生这天上也没有用啊!所以我说他也是有语言,不过他不用语言,就像我们人间有文字似的,由文字来代表语言。但是不是说单单用文字,就不要语言了。

他用光就好像我们人间的文字一样,用光来写字,好像传真机那种性质,一定是这么样子。并不是说他就只用光说话,没有语言,不是的。所以讲佛法,你一定要把佛法和世间法互相这么一计算,那就知道了。你不要像有些法师就说,他那里没有语言文字,是哑巴,光音天的天人不会说话的,这他简直是不懂的。

这是二禅天,人若是参禅得到二禅天的定力,这叫“定生喜乐地”,由定中生出来一种喜乐。得到这种境界,入这种定的人,是怎么样的情形呢?把他的呼吸气也断了,没有呼吸气了,呼吸气都停止了,这是二禅的境界。那么到这二禅的境界上,也并不是说,我的功夫就不得了了,就是最高了,不是的。

你们用功的人,现在问一问自己,到没到这种程度呢?是不是脉也断了?呼吸气也断了?一打坐就呼吸气断了?没有。没有,就要用功去;若不用功呢,那你这生死就不能了。你就是到初禅、二禅,生死都没有了,所以这用功呢,不是说我见了一点小境界,见到护法菩萨来了,又见到谁了。我们在打坐时,即使见到光,这都是小境界,不要着住了。或者打坐,坐在那个地方,自己就晃起来了,不是你想要晃。你不想要动,但它动了,动了后,你想要停止也止不住,这都是六种震动的作用,六根,大地六变震动的表现。这个时候并不是真正的功夫,你还要往前去努力去才可以。

你们若没有到初禅、二禅的境界,那就不能懒惰的。你懒惰生死就不能了,不能了,将来是很危险的,是个危险人物,不是这么容易就可以做一个和尚的。所以你一天懒,就是要往地狱里钻,你若想不到地狱去嘛,那就要勤力一点,勤加用功。

你说,哦!我一用功就觉得不舒服了,很难受的。你到地狱,那比现在还难受,那更不舒服了。你现在要想舒服,将来就不舒服;你现在要是用点苦功,将来就会舒服。所以你自己算一算这数,你要是到地狱去的时候,那就不知道多长的时间了,那无间地狱是没有出来的时候,一天到晚都在那儿受罪。为什么到那个地方受罪去?就因为你出家做沙弥的时候很懒的,你不用功,不学佛法,现在叫你受罪、自在自在,到地狱里去自在。

“少净天、无量净天、遍净天”:这是三禅天。前边初禅,叫“离生喜乐地”,二禅叫“定生喜乐地”,三禅叫“离喜妙乐地”。初禅脉停止了,二禅气停止了,三禅念停止了,念佛的这个念。

初禅天,虽然是梵众天、梵辅天、大梵天,已经清净了,但还没有光,不是没有光,有光,但光非常的微弱。二禅天是有光了,比那清净的更清净了。这个也有一个粗的比较,比较什么呢?就比较那个“地”,扫了头一次地,扫得干净了,是清净了,这比喻梵众天、梵辅天、大梵天,楼板的地扫清净了,没有打腊。没有打腊,它就没有光。我们讲这世间法,没有打腊、没有光;那么你打腊有光了,这个楼板它有光了,这是少光天、无量光天、光音天,这是二禅天。

三禅,这少净天,打完腊你还要把它擦,擦它才能很光的。擦完了,或许地下也有一些个尘,或者扫把上的那些毛,都没有清理干净,没有完全收拾好,所以光是有了,但是还没有干净。这三禅天呢,干净了,所以叫少净天、无量净天、遍净天。把地打上腊,又把它擦得光明湛亮,一点尘埃都没有了。你不懂得天上的境界,就用楼板想一想这个道理,那就可以了。

那么脉停住了,脉是血,属于血脉,脉停止了,这就是清净了。气要是停止了,就发光了。第三禅天呢?念停止了,你这妄念完全都停止了。初禅天虽然脉停止了,但这里边还有这个念,还有一念。二禅天呢,这个念也没断。三禅天,这个念停止了,他不会这个念生,那个念又起,那个念生,这个念起。

我们一个人在一刹那间,就有九十个生死,在每一个生死里又有九百个念,所以在很短期间内,就有这么多的念。但是到三禅,这个念就断了,念停止了,一念再不生前念、后念,后念又生后念,不生了,念也在这儿停了,这是三禅的境界。不单脉停止了,气停止了,连这个念都停止了,念也没有了。你坐了一个月,也不知道是一个月,坐一年也不知道是一年,没有一个时间性,也没有一个空间性。

但是坐在这个地方,你入这种定,并不是死,愿意回来还可以回来。你愿意回来,你这念不是停止了吗?啊!(一想起来)我怎么在这儿打坐呢?啊!这念又生出来,又回来了。因为三禅的境界是连念都没有了,所以叫“净”。如果你有念,还不能谈到净,就好像那个尘似的。你有这个气,也不能谈到光,你这个气停止了,你的光就现出来了。你的脉停止了,你身上才觉得清净。你气停止了,才有光;你念停止了,才是真正谈到净了,所以这叫少净天、无量净天、遍净天,这是第三禅天。第三禅呢,就叫“离喜妙乐地”,把那个喜呢,又要离开,好像我们人生出欢喜心,就以为是好的,但这个都要离开它,连欢喜都不执着了,这叫离喜妙乐地,生出妙的作用来。

【编注】恭录自《地藏菩薩本願經淺釋》(宣化上人講述)


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