【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。

#工业互联网大会在辽宁# 【2020全球工业互联网大会八个专题会议激发头脑风暴】10月18日到19日在沈阳召开的2020全球工业互联网大会,专门组织了8场主题鲜明、大咖云集的专题会议,围绕工业互联网三大体系网络、平台和安全相关热点话题开展集中研讨。与会专家、学者和行业领军企业代表分别聚焦5G+工业互联网、技术创新、安全保障、边缘计算与工业互联网标识、工业互联网赋能高端装备制造、产业链协同、平台生态、行业应用等议题,凭借自身在上述领域的经验和积累,各展所长、各抒己见,共同探讨了如何更好地通过发展工业互联网、打造健康的生态体系来切实“赋能高质量,打造新动能”。

  夯实基础网络建设,推动工业经济数字化转型

  “5G+工业互联网”专题会议作为本次大会的重要专题之一,由中国移动通信集团有限公司承办,邀请来自中国工业互联网研究院、中国移动通信集团辽宁有限公司、中国移动上海产业研究院、中兴通讯、用友网络、中国科学院沈阳计算技术研究有限公司等企事业单位在5G领域的专家、科研骨干,就“5G+工业互联网”推动辽宁新基建、赋能制造业的行业应用,助力制造业数智化转型和高质量发展等话题展开研讨,分享5G在工业互联网的应用探索及实践案例,共同思考、共谋未来。中国移动辽宁公司还发布了5G应用示范区,并与相关合作单位签署了战略合作协议。

  华为技术有限公司承办的“工业互联网技术创新”专题会议,协同产业链上下游的伙伴共同聚焦“联接+计算+AI”,探究云平台、大数据、AI、工业智造等方面相关话题,助力工业互联网网络技术创新,推动智慧工业产业真正实现“智联万物”。

  同期还召开了“边缘计算与工业互联网标识”专题会议。会上深度探讨边缘计算与标识应用在工业制造场景下的价值,促进与国内外工业企业的深度交流。会议承办方北京和利时智能技术有限公司现场发布了基于边缘计算能力的“边缘端的标识一体机”,展示工业互联网智能化整体解决方案,并与中国联通、中国电信达成战略合作共识、签约合作。

  深耕智慧平台生态,加速实现从“制造”到“智造”

  作为工业互联网发展的关键环节,平台生态体系建设关系着整个工业互联网产业的健康发展。加速培育工业互联网平台生态,是完善工业互联网平台功能、支撑我国制造业高质量发展的重要举措。

  在此背景下由腾讯公司主持召开的“工业互联网平台生态”专题会议关注东北地区工业企业数字化水平参差不齐的现状,探寻如何通过聚合工业领域生态企业及优质合作资源,打造服务于制造领域的工业互联网开放生态体系,从而帮助工业企业夯实核心竞争力,推动企业在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面提质增效,进而助力区域构建工业互联网产业集群。

  与此同时,随着我国工业互联网由理念倡导加速走向落地深耕,在同期召开的“工业互联网产业链协同”专题会议上,着重探讨了如何利用产业链协同智能制造的思维方式和技术手段,促进产业链上下游企业集聚协同工作,促进企业实现供应链资源优化配置、供应链管理、采销协同、生产智能化一站式服务,进而催生更多新的技术应用模式,为工业企业降本增效、优化资源配置、提升智能化水平,加速工业企业数字化、智能化变革。会上还宣布启动CIO时代产业互联网开放式创新平台。

  此外,对于工业互联网如何在应用层面满足各垂直行业领域的“个性化需求”和促进服务创新等工业互联网平台体系建设中的热门课题,在由东软集团承办的“工业互联网赋能行业应用”的专题会议上,来自国内主流汽车厂商、高端医疗仪器设备制造商、专业研究院所等机构的行业专家共同探讨了工业互联网时代行业应用面临的机遇和挑战,聚焦传统的汽车生产、高端医疗仪器设备制造、医疗物联网、5G行业应用等交叉融合领域新的应用部署和服务模式,为推动我国工业互联网持续深入发展提供新思路。

  在“工业互联网赋能高端装备制造”专题会议上,邀请了航天科技、中航工业、中国船舶、中国中车、中国兵器集团等高端装备制造企业代表、工信部装备发展中心、中国工业互联网研究院专家以及国资委、发改委新一代信息技术、工业互联网课题组成员单位专家等特别聚焦高端装备制造业转型发展的需求,共同探讨在新基建背景下,工业互联网创新技术的应用实践、产业工业互联网化新业态、新趋势等行业热门话题。同时,航天新长征大道科技有限公司作为会议承办方发布了长征云工业互联网平台3.0。

  加强安全体系建设,保障工业互联网健康发展

  近年来,伴随云计算、大数据、物联网等新技术在工业互联网平台体系中的应用,工业系统网络安全事件频发,事件频次和影响也越来越大。2019年8月,工信部、教育部、人社部等国家十部委联合下发《加强工业互联网安全工作的指导意见》的通知,明确指出要围绕设备、控制、网络、平台、数据安全,构建责任清晰、制度健全、技术先进的工业互联网安全保障体系,全面提升工业互联网创新发展安全保障能力和服务水平,护航制造强国和网络强国战略实施。

  为此,2020全球工业互联网大会特别设立了“工业互联网安全保障”专题会议,以加强工业互联网安全的传播力和影响力。会议由奇安信科技集团股份有限公司承办,以推动构建强有力的国家工业互联网安全保障体系为目标,邀请来自国家政府管理机构、研究机构专家和领军企业代表共同从政策、技术、实践等方面交流研讨我国当前的工业安全规划与运营实践,协调多方联动,共同维护国家工业互联网安全。

  8大专题会议议题主要侧重于从实践与应用的角度对2020全球工业互联网大会的主题进行延展,目的是展现各方的前沿成果、交流先进经验,促进合作共赢。势必将推动我国工业互联网生态体系的快速健康发展,并对促进辽沈地区新旧动能转换、赋能区域经济高质量发展产生深远影响。

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