“如果失敗了呢?”

“成與不成，這輩子只干這一件事。”

當(dāng)眾多人聚焦鋰離子電池的時(shí)候，他把目光轉(zhuǎn)向了“冷門”的鈉離子電池，這“一眼”就是10年，也是這“一眼”打開了鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的大門。此時(shí)的胡勇勝，不僅是中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究員，還是中科海鈉的創(chuàng)始人。

不久前，中科海鈉生產(chǎn)的全球首款具備自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的鈉離子電池實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，目前電芯產(chǎn)能可達(dá)30萬(wàn)只/月。

全球首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車亮相中科院物理所九十周年所慶 胡勇勝供圖

從“一枝獨(dú)秀”到“珠聯(lián)璧合”

歷經(jīng)200余年的電池在新一輪能源革命中迎來(lái)“大浪淘沙”。二十世紀(jì)九十年代，在眾多二次電池中，鋰離子電池率先抓住機(jī)遇強(qiáng)勁發(fā)展。

據(jù)中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟2019年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：在全球電化學(xué)規(guī)模儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中，鋰離子電池的占比高達(dá)80%。

然而鋰離子電池卻面臨無(wú)法回避的“天花板”。“在二次電池中，鋰離子電池的性能雖是最好，但鋰資源的儲(chǔ)量有限，且70%分布在南美洲，而目前我國(guó)80%鋰資源依賴進(jìn)口。鋰離子電池難以兼顧電動(dòng)汽車和電網(wǎng)儲(chǔ)能兩大產(chǎn)業(yè)。”胡勇勝告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

“一枝獨(dú)秀”的鋰離子電池已無(wú)法全面改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，“百花齊放”的二次電池中，替代或補(bǔ)充鋰離子電池的儲(chǔ)能技術(shù)成為國(guó)際新能源技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)熱點(diǎn)。

不僅如此，曾經(jīng)的“主力隊(duì)員”鉛酸電池因其不可避免的環(huán)境污染及無(wú)法滿足新國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)面臨“退役”問(wèn)題，2019年4 月，《電動(dòng)自行車安全技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定電動(dòng)自行車的整車質(zhì)量(含電池)不高于55kg，但目前市場(chǎng)上鉛酸電池電動(dòng)自行車重量普遍超70kg。

“目前碳酸鋰大概4萬(wàn)元/噸，如果用鋰離子電池替代鉛酸電池，電動(dòng)自行車的成本將大幅上漲。而碳酸鈉平均僅有2千元/噸，用鈉離子電池替代鉛酸電池的優(yōu)勢(shì)顯而易見(jiàn)。”胡勇勝告訴記者。

在胡勇勝看來(lái)，鈉離子電池具備低成本、長(zhǎng)壽命和高安全性能等優(yōu)勢(shì)，不僅能在一定程度上成為鋰離子電池的補(bǔ)充，緩解鋰資源短缺的問(wèn)題，還能逐步替代環(huán)境污染嚴(yán)重的鉛酸電池，保證國(guó)家能源安全和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。

值得一提的是，鈉離子電池巨大的儲(chǔ)能市場(chǎng)還包括光伏、風(fēng)能等新能源接入儲(chǔ)存系統(tǒng)。據(jù)了解，2018年我國(guó)棄光、棄風(fēng)、棄水電量共計(jì)1022億度電。胡勇勝指出：“儲(chǔ)能是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，鈉離子電池因其成本及資源優(yōu)勢(shì)將在大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)中大有作為。”

“此外，鈉離子電池憑借其諸多優(yōu)勢(shì)還有望在低速電動(dòng)車、電動(dòng)船、數(shù)據(jù)中心、通訊基站、家庭/工業(yè)儲(chǔ)能領(lǐng)域快速發(fā)展。”胡勇勝表示。

鈉離子電池電動(dòng)自行車在中科院物理所開展內(nèi)部測(cè)試 胡勇勝供圖

中科院物理所和中科海鈉設(shè)計(jì)制造的全球首輛鈉離子電池低速電動(dòng)車 胡勇勝供圖

“要做用戶最需要的”

近年來(lái)，國(guó)際領(lǐng)域紛紛加碼鈉離子電池研發(fā)。2020年，美國(guó)能源部明確將鈉離子電池作為儲(chǔ)能電池的發(fā)展體系;歐盟儲(chǔ)能計(jì)劃“電池2030”項(xiàng)目將鈉離子電池列在非鋰離子電池體系的首位。

實(shí)際上，在胡勇勝團(tuán)隊(duì)開展鈉離子電池研究時(shí)，雖然鈉離子電池不是熱門領(lǐng)域，但已有其他團(tuán)隊(duì)在研究，但胡勇勝給自己定了“做科研就要做用得上的研究，做用戶最需要的鈉離子電池”的目標(biāo)。

“我們要做老百姓能買得起的低成本、高安全的電池。”為此，降低電池正負(fù)極材料成本成為胡勇勝團(tuán)隊(duì)首先思考的重要課題。實(shí)際上，目前鋰離子電池常用的活性元素是Ni和Co，但成本較高，能否找到又有活性成本又低的元素替代呢?通過(guò)不斷的研究，胡勇勝團(tuán)隊(duì)驚喜地發(fā)現(xiàn)Cu在鈉離子電池中不但具有活性，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，經(jīng)過(guò)多年的探索，胡勇勝團(tuán)隊(duì)最終成功研制出Cu基鈉離子層狀氧化物正級(jí)材料。

挑戰(zhàn)接踵而至，能否降低鈉離子電池負(fù)極材料成本呢?“當(dāng)時(shí)，石墨作為成熟的鋰離子電池負(fù)極材料卻幾乎不具備儲(chǔ)鈉能力;無(wú)定形硬碳是眾多研究的焦點(diǎn)，但價(jià)格較高。通過(guò)對(duì)碳源前驅(qū)體進(jìn)行調(diào)研，我們發(fā)現(xiàn)無(wú)煙煤的成本平均1800元/噸，如果用無(wú)煙煤制備無(wú)定形碳負(fù)極材料將有利于大幅降低電池成本。基于這樣的考慮，我們立即開始實(shí)驗(yàn)，最終研制出了無(wú)煙煤基鈉離子電池負(fù)極材料。”胡勇勝回憶道。

在團(tuán)隊(duì)成員、中科院物理所副研究員陸雅翔看來(lái)，成功降低鈉離子電池成本的關(guān)鍵在于敢于另辟蹊徑、大膽創(chuàng)新。“在當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)鈉離子電池的研究主要集中于借鑒鋰離子電池的研發(fā)思路，所以遲遲沒(méi)有突破性的進(jìn)展，我們沒(méi)有跟隨大家的腳步，而是另辟蹊徑，大膽嘗試，挑戰(zhàn)別人忽視的、認(rèn)為不可能的道路。”

在攻克鈉離子電池正負(fù)極材料成本問(wèn)題后，胡勇勝團(tuán)隊(duì)繼續(xù)深入挖掘鈉離子電池的其他優(yōu)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)鈉離子電池不僅擁有更好的安全性，在遇到零下40度的低溫時(shí)，鈉離子電池汽車還能釋放80%的電量，比鋰離子電池汽車更加“耐寒”。“此外，鈉離子電池汽車充電速度更快，僅需20分鐘，接下來(lái)將挑戰(zhàn)10分鐘的充電速度。”胡勇勝告訴記者。

對(duì)于電池制備而言，建立完整的生產(chǎn)線不僅重要而且投資巨大，值得一提的是，鈉離子電池可以直接使用鋰離子電池的生產(chǎn)線，無(wú)需重建。“不久前，我們使用鋰離子電池生產(chǎn)線生產(chǎn)了8萬(wàn)支鈉離子電池。正因?yàn)榭梢灾苯邮褂娩囯x子電池的生產(chǎn)線，鈉離子電池市場(chǎng)化的速度將更快，可以站在前人的‘肩膀’上，我們也無(wú)比感激。“胡勇勝表示。

目前，胡勇勝團(tuán)隊(duì)在鈉離子電池正負(fù)極材料、電解液等關(guān)鍵材料體系和電芯制造、裝配工藝等工程技術(shù)上都已具備完全自主研發(fā)能力，產(chǎn)品核心專利已獲得中國(guó)、美國(guó)、歐盟等多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的授權(quán)。

中科院物理所和中科海鈉設(shè)計(jì)制造的全球首座百千瓦時(shí)鈉離子電池儲(chǔ)能電站 胡勇勝供圖

眼前有產(chǎn)業(yè) 腳下有科研

實(shí)際上，胡勇勝與物理所的緣分已有20年。2001年，胡勇勝便來(lái)到物理所攻讀博士學(xué)位，師從陳立泉院士，也正是這一份師生誼改變了胡勇勝未來(lái)的職業(yè)生涯。

博士畢業(yè)后，胡勇勝先后到德國(guó)和美國(guó)進(jìn)修，就在完成學(xué)業(yè)之時(shí)，陳立泉聯(lián)系胡勇勝，希望他能回到物理所工作。

“我毫不猶豫地就回來(lái)了，因?yàn)槲业膶?dǎo)師和團(tuán)隊(duì)凝聚力。陳老師始終心系國(guó)家能源安全，從長(zhǎng)遠(yuǎn)出發(fā)推動(dòng)電動(dòng)中國(guó)夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)，不畏困難，敢于挑戰(zhàn)，這種家國(guó)情懷和科研精神令我敬佩。此外，陳老師滿心栽培學(xué)生，他帶領(lǐng)下的團(tuán)隊(duì)有激情、有夢(mèng)想、有情懷，我非常喜歡團(tuán)隊(duì)的科研氛圍。”胡勇勝回憶道。

在當(dāng)時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員都為自己設(shè)定了研究方向和目標(biāo)，“做用戶最需要的鈉離子電池，這輩子只做這一件事”正是胡勇勝為自己定的目標(biāo)。

“當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的科研條件隨著國(guó)家的發(fā)展有了很大的改善，此外，中科院也提供了很好的科研平臺(tái)和轉(zhuǎn)化平臺(tái)，作為科研人員，如果我們還不能做出點(diǎn)成績(jī)，就真的太對(duì)不起國(guó)家，對(duì)不起老師了。”胡勇勝坦言，“實(shí)際上，我也想過(guò)可能失敗，但如果大家都在觀望一個(gè)領(lǐng)域時(shí)，它可能是機(jī)遇，如果大家都已經(jīng)開始做了，可能它就不再是機(jī)會(huì)了。”

樹立目標(biāo)容易，將目標(biāo)變成現(xiàn)實(shí)并非易事。付諸實(shí)踐的頭幾年，是胡勇勝最困難也最難忘的時(shí)光。“由于國(guó)際上關(guān)于鈉離子電池的研發(fā)并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，很多要從零開始。那些年，我們每天都在挖空心思地研究鈉離子電池技術(shù)，’早晨捧著希望來(lái)，晚上帶著失望歸是常態(tài)，那是研發(fā)最困苦的時(shí)期，也是我最安靜思考且難忘的時(shí)光，這為鈉離子電池成功研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。”胡勇勝回憶時(shí)感慨道。

在胡勇勝看來(lái)，產(chǎn)業(yè)化與做科研完全不同，“基礎(chǔ)研究強(qiáng)調(diào)前沿性，而產(chǎn)業(yè)化要做以用戶為導(dǎo)向和市場(chǎng)需要的產(chǎn)品，不能為了新而新。此外，實(shí)驗(yàn)室研究階段很多問(wèn)題是看不見(jiàn)的，而當(dāng)進(jìn)入工程化階段后，要保證產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性是很有挑戰(zhàn)的事情。”

酒香也怕巷子深，尋找投資人和合作者，為科研成果注入轉(zhuǎn)化資本，是每個(gè)科研成果轉(zhuǎn)化征程中的必經(jīng)且不易之路。產(chǎn)業(yè)化初期，出差作報(bào)告、談合作、找廠家是胡勇勝的常態(tài)，為此他幽默地說(shuō)道：“那些年，我不是在出差，就是在出差的路上。”

在陸雅翔看來(lái)，不管再忙，胡勇勝都會(huì)“擠”時(shí)間思考電池的技術(shù)研究，跟團(tuán)隊(duì)探討靈感和難點(diǎn)，“胡老師總有用不完的精力，即使再忙他都會(huì)利用零碎的時(shí)間閱讀最新文獻(xiàn)，關(guān)注科研最新動(dòng)態(tài)，思考問(wèn)題的解決方案，這種勤奮和科研熱情也激勵(lì)著團(tuán)隊(duì)。”

隨著鈉離子電池產(chǎn)品的優(yōu)越性能和低廉成本逐漸被國(guó)內(nèi)外所認(rèn)可，胡勇勝也從最初的主動(dòng)找合作，轉(zhuǎn)變?yōu)樵絹?lái)越的合作“找上門”，產(chǎn)業(yè)化的“羊腸小道”逐漸走成了“康莊大道”。

十年磨一劍，今年，是胡勇勝團(tuán)隊(duì)深耕鈉離子電池的第10年，也是中科海鈉市場(chǎng)化的“破曉”之刻，他對(duì)未來(lái)充滿了期待，期待鈉離子電池走進(jìn)尋常百姓家，期待鈉離子電池成為守護(hù)國(guó)家能源安全的“主力軍”，“但科研是產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)，在帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)產(chǎn)業(yè)化的同時(shí)，還必須潛心科研，為鈉離子電池實(shí)現(xiàn)充電更快、能量密度更大、安全性更高、成本更低的未來(lái)夯實(shí)基礎(chǔ)。“

“高山仰止，景行行止，雖不能至，然心向往之。“胡勇勝感慨道。