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北京中科海钠科技有限责任公司 李树军:钠离子电池技术和产业化进展

一、公司介绍

陈立泉院士是中国锂电界的泰斗,他很早就提出了电动中国的概念,同时也指出如果全世界的车都用锂离子电池,电能也都用锂离子电池来存储,那锂资源是不够。因此一定要考虑新的电池,钠离子电池就是首选。在这样一个背景下,胡永胜研究员2011年就开始投身钠电的研究。2014年就首次发现了铜的电化学活性,提出了铜基层状氧化物作为钠离子电池正极材料的概念。2015年又首次提出可以使用低成本的煤基碳材料作为钠离子电池的负极材料。2017年,中科海钠正式成立。

中科海钠创始团队包括了陈立泉院士、胡勇胜研究员、李泓研究员和唐堃博士。胡勇胜研究员和李泓研究员都是陈老师的学生。公司成立之初,聘请唐堃博士作为总经理,现在担任公司的执行董事长。

自2011年开始,团队从电极材料的基础研发开始做到材料的放大制备和生产,从单体电池到模块,从模块做到能够在电动自行车、低速电动车和储能系统的示范应用。可谓是板凳十年冷,十年磨一剑。

中科海钠是以源头创新为核心优势的钠离子电池企业。正极是铜基层状氧化物,负极就是煤基的碳材料,可以说这是成本最低、产业化价值最高的技术路线。中科海钠拥有原始的专利,也完成了全球性的专利体系布局。正极就是钠、铜、铁、锰的层状氧化物,这个发明专利已经在中国、日本、美国、欧盟等国家获得授权。负极就是煤基的碳负极材料已经在中国、美国、日本获得授权。

中科海钠致力于高性价比的电化学储能体系的研发和制造,提供可持续的、高性价比的储能电池。底层技术来源于中科院物理所,已经建立起全球性的核心技术专利体系。产品已经在短途动力和多种储能的应用场景实现了示范的验证,同时首条钠离子电池量产线已经投产,产业化进程是国际领先的。

二、中科海钠产业化布局

公司总部在北京,江苏的溧阳是研发基地,实际上现在市场和公司的运营也在江苏溧阳。山西的太原作为正负级材料的生产基地,在阜阳建立了电池的生产基地,在山西的阳泉与华阳股份合作有电芯的合作生产基地。

材料产业化方面,22年3月份一期年产各2000吨正负级材料的生产线已经建设完成,并且已经运行了半年。规划在明年完成2万吨正级、1万吨负级的材料生产线的建成和投产。在24年规划完成10万吨正级、5万吨负级的材料线建设。

电芯方面,22年9月,在安徽阜阳建立了一条1GWh钠离子电池生产线,这也是全球首条真正意义上的钠离子电池量产线,目前正在试生产。规划在23年将阜阳这条生产线扩产到3-5GWh,会增加一些新的产品型号。规划在24年与下游客户合作,把生产线的产能逐步扩大到10GWh以上,产品的型号也会更丰富。

储能系统的示范和推广方面,其实在20年就已经实现了100KWh的钠离子电池储能电站的启用。2021年,1MWh的储能系统在山西太原也投入了运行,23年开始实现百兆瓦时级钠离子电池储能系统的推广应用。

中科海钠产业化的安排是以材料为基础的全产业链能力。其中正负级材料和电解液是基础。电解液是和公司的合作厂家共同研发生产。材料体系主要构建了钠离子电池产业化的基础能力。要以电芯产能为依托进行钠离子电芯的定义和定型,要引导技术规格和制造工艺的标准化。储能系统的示范推广,主要目的是探讨不同场景下钠电系统的技术架构。寻找合理的技术体系,促进钠离子电池技术,促进钠离子电池电储能系统的快速应用。

三、中科海钠技术及产品展望

正负极材料容量提升的规划:目前正极材料大概是130 mAh/g,负极大概是320 mAh/g,均为扣除了首次效率的有效容量,未来每一年都有一个稳步的提升。估计在2024年材料的能量密度就可以支撑电芯达到目前磷酸铁锂的水平,未来可以超过现有磷酸铁锂的水平。

能量密度方面,列出了体积能量密度,主要是因为不同的产品形态和结构的质量能量密度差异比较大,不好简单的比较。同时在储能领域体积能量密度更为重要、有效性更高。作为对照,磷酸铁锂的体积能量密度目前大概是360 Wh/L,还是比较高的水平。目前我们做到了钠离子电池280 Wh/L,规划23年提升到330 Wh/L,24年与现在磷酸铁锂电池能量密度水平相当,未来也能够再超过这个水平。

循环寿命方面,目前大概是3000-4000次的水平。随着材料和电池的量产,整个材料和电芯的稳定性、杂质的含量都能够得到有效改善。循环次数提升到6000次是比较快的,之后可以逐步的提升到8000次和10000次。循环寿命的提升跟能量密度提升并不是完全同步的。一般来说能量密度高的电芯循环寿命会低一些,循环寿命高的电芯能量密度也会稍微低一些。

电芯规划方面,小的圆柱电芯,公司设计的是26700,从3Ah起步,可快速地提升到3.5、4Ah,寿命大概在3000-5000次,主要用于小动力和小储能场景。中等尺寸的圆柱公司定义的是32140,大概从12Ah起步,后续快速提升到15Ah。未来还有46系列的圆柱和60系列的圆柱,单体容量大概在30Ah和50Ah,寿命也是3000-5000次。这个是未来圆柱的主力形态,有比较广泛的应用,除了小动力和小储能之外,像 A00 级的乘用车、户用储能、工商业储能方面,可能都是未来的主力产品。

方形电芯方面,小方形是27-148系列,比较通用,主要用于小型储能,包括一些启动电源。60-160的产品更多适合于家庭储能、工商业储能、通信领域的备用电源。大方形电池,最常见的是72-173-207,磷酸铁锂电池中广泛用于电力储能。钠离子电池可能从240Ah起步,后续提升到280Ah或者300Ah,循环寿命5000-8000次,未来提升到10000次以上。主要用于大型的电力储能、工业车辆和商用车等领域。

未来的技术提升,更多的来自于正负级材料和电解液的性能提升。那么主要的产品形态对应于磷酸铁锂电池的中/大尺寸的圆柱和方形电芯。

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