钠离子电池——破解寒区电储能困境的新选择_周星.pdf

第 44 卷第 1 期 国 防 科 技 Vol.44,No.1 2023 年 2 月 NATIONAL DEFENSE TECHNOLOGY Feb.2023 收稿日期 2022-11-18 修回日期 2022-12-21 采用日期 2023-01-05 基金项目 国家自然科学基金项目（71901210）；中国博士后科学基金面上项目（2021MD703975）；湖南省科技创新计划（2021RC2074）*通信作者 黄生俊，E-mail: 作者简介 周星，男，博士，助理研究员，研究方向为先进电池储能系统集成与控制；黄生俊，男，副教授，硕士生导师，研究方向为能源互联网；朱文凯，男，硕士研究生，研究方向为电池系统测试与评价；张涛，男，教授，博士生导师，研究方向为能源互联网。钠离子电池破解寒区电储能困境的新选择 周 星，黄生俊*，朱文凯，张 涛（国防科技大学系统工程学院，湖南 长沙 410073）摘 要 我国陆地面积四成以上属于寒区，保障寒区部队的用电需求是后装保障能力建设的重要关切。其中，如何安全高效地储存电能则是寒区部队电能保障的首要难题。相较于当前应用广泛的磷酸铁锂电池、铅酸电池等，新兴的钠离子电池在低温性能、安全性、功率密度以及成本等方面均具有一定优势。本文通过对比分析认为，钠离子电池更适用于寒区的电能保障需求，将对破解我寒区部队的电储能困境发挥重要作用。建议相关建设部门和科研单位密切关注钠离子电池发展动态，积极布局和引导钠离子电池技术路线向寒区军事应用方向发展，大力推动钠离子电池在寒区军用储能电站和寒区装备电源等领域的工程应用与示范。关键词 寒区；钠离子电池；电能储存 中图分类号 TM912 文献标志码 A 文章编号 1671-4547(2023)01-0103-09 DOI：10.13943/j.issn 1671-4547.2023.01.15 引言 随着战争向无人化和智能化方向发展，部队用电需求将逐渐增长，安全可靠的电能保障将成为打赢战争的重要条件。受限于当前技术发展水平，电能保障领域还存在诸多痛点。其中，寒区部队的电储能困境尤为突出，是亟待解决的关键问题。我国寒区主要分布在西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古、黑龙江、吉林、四川等地区，寒区面积共达417万km2，占我国陆地面积四成以上1。这些地区年平均气温低于5，部分地区冬季气温在-20 0 之间，夜间温度甚至低至-40。受环境温度和地理位置等因素影响，寒区部队的电能保障问题长期未能得到很好解决，而突破低温电储能技术则是解决寒区部队电能保障问题的关键2。当前，低温电储能技术的研究主要侧重于对锂离子电池和铅酸电池的电解液等关键材料的改进，以提升其低温性能3。但是，从实际情况来看，该技术路径已逐步达到瓶颈，而且很难兼顾低温性能、功率性能以及安全性等多项关键指标。相较于传统的锂离子电池和铅酸电池，近年来逐渐发展成熟的钠离子电池技术在低温性能、功率性能以及安全性等方面具有一定优势和更大潜力4。因此，本文认为钠离子电池将为破解我寒区部队电储能困境提供新的机104 国防科技 2023 年第 1 期（总第 338 期）会。首先，本文探讨了寒区部队电储能的具体需求、发展现状以及存在的问题；其次，结合钠离子电池的工作原理，深入分析其主要优势与发展现状；最后，给出了主动引导探索钠离子电池技术发展路径和积极推动钠离子电池的军事应用示范等建议。1 寒区部队电储能需求 寒区部队的电能储存需求可分为固定式电储能和机动式电储能两种。固定式电储能主要包括用于部队日常训练与生活保障的军用储能电站以及部分关键设施的不间断电源。这类储能系统通常部署在营区，可以放置在室内予以一定程度的保温。机动式电储能主要面向野战应用场景，主要用于作战车辆低温启动或亏电启动的通用启动电源、通信设备野战供电的通信电源和单兵作战保障的便携式电源等。以上这些电储能需求对电池的低温性能、安全性、能量密度、功率密度、循环寿命和成本等性能指标具有不同程度的要求。根据实际调研经验，寒区部队电储能需求的相关特征如表1所示。目前部队对电池安全性要求普遍很高，寒区部队的电储能需求对电池低温性能要求最高。除军用储能电站和关键设施不间断电源等固定电池系统可以放置在室内予以一定程度的保温外，通用启动电源、通信电源和单兵电源等电池组都需要在更低温度的户外运行。在满足低温性能的同时，部分通用启动电源还需要电池具有较高的功率性能，而通信电源和单兵电源则需要具备较高的能量密度。此外，相关需求对电池的循环寿命和单位成本也具有不同影响。其中，军用储能电站对电池循环寿命和单位成本的要求最高，而通用启动电源、通信电源和单兵电源等电池组则应优先满足能量密度、功率密度和低温性能等其他性能指标，降低对循环寿命和单位成本的要求。总体来说，寒区部队的电储能需求十分严苛，目前低温电储能问题还未得到很好解决，导致寒区部队进行可靠电能保障还存在一定困难。2 寒区部队电储能现状及问题 与压缩空气储能、飞轮储能等物理储能技术相比，锂离子电池、铅酸电池和超级电容等电化学储能技术具有能量密度高、环境制约性弱、维护简单等优势，将在电能保障领域发挥越来越重要的作用。其中，超级电容能量密度过低且单位成本很高，难以单独作为大多数电储能应用场景的主要储能器件。相较来说，铅酸电池和锂离子电池的应用场景更加广泛。与锂离子电池相比，铅酸电池在能量密度、功率密度和循环寿命等方面存在明显劣势，但具有更高的安全性，基本不会发生热失控事故，而且生产成本也更低。因此，铅酸电池仍然是固定式电储能中应用最为 表1 寒区部队电储能需求的相关特征 能量密度 功率密度安全性 低温性能 循环寿命 低成本 军用储能电站电池系统 关键设施不间断电源电池系统 通用启动电源电池组 通信电源电池组 单兵电源电池组 注：星星数量越多表示该项需求程度越大。周星，等：钠离子电池破解寒区电储能困境的新选择 105 广泛的储能器件。面向野战应用场景的机动式电储能则更偏向于使用性能更好且安全性较高的磷酸铁锂电池。然而，在低温环境下，目前常用的铅酸电池和锂离子电池的功率性能和容量性能均会发生严重衰减。在温度低至-40 时，这些电池基本上无法正常充放电，严重制约了寒区部队的电能保障能力5-8。在军用储能电站和关键设施不间断电源等固定式电储能方面，为了缓解铅酸电池和磷酸铁锂电池低温性能差的缺点，需要为其建设集成加热系统或提供室内保温条件，这使得整个储能系统的能效偏低、环境制约性较大。在通用启动电源、通信电源和单兵电源等机动式电储能方面，由于缺乏室内保温条件，低温带来的挑战更大。针对低温环境，目前相关厂商对磷酸铁锂等锂离子电池进行改进，实现了在-40 下1 C左右的最大放电能力，但代价是大幅降低了电池能量密度并增加了生产成本。因此，这类低温电池应用在通信电源和单兵电源中仍然存在体积和重量较大的问题。针对通用启动电源，往往需要电池具备30 C以上的瞬间放电能力，这无法被目前的低温电池所满足，只能采取低温电池与超级电容混合的储能方案，且在-40 下通常需要3060 min的冷启动加热过程才能正常工作，严重制约了装备作战性能。此外，电池在低温环境下充电比放电更难。锂离子电池在低温下充电容易发生析锂副反应，可能引发热失控安全事故，这也是不容忽视的关键问题9。综上所述，发展先进的电储能技术，提高电池的低温性能，对提升寒区电能保障能力具有重要意义。近年来，钠离子电池技术逐渐发展成熟，其相较传统的锂离子电池和铅酸电池具有更好的低温特性、功率性能以及安全性。我国产业界正在钠离子电池领域积极布局，并已初步具备钠离子电池的量产能力。本文认为钠离子电池将为破解军队寒区电储能困境提供新的机遇。3 钠离子电池的工作原理 钠离子电池与锂离子电池的基本结构和工作原理十分类似，均可视为一种“摇椅式”电池，即其充放电过程对应着钠/锂离子在正负极之间来回穿梭。以放电过程为例，钠离子电池的基本结构和工作原理如图1所示。钠离子电池包括正极、负极、隔膜和集流体等部分。其中，正极主要由钠离子层状氧化物等正极材料构成，负极主要由硬碳等负极材料构成。正/负极均为多孔结构电极，分别由正/负极材料颗粒堆叠而成，而电解液则填充了隔膜和正/负极材料颗粒之间的空隙。正/负极中还可以添加一些导电剂与粘接剂，用以增强正/负极的电子通路。此外，钠离子电池的正/负极集流体均可使用铝箔作为连接正/负极与外部电路的桥梁，电子通过集流体在正/负极与外部电路之间进行传输。正/负极材料均可以一定形式储存钠离子。如图1所示，当电池放电时，钠离子通过电荷转移反应从负极材料颗粒内部脱嵌出来，并穿过负极材料颗粒表面的固体电解质界面（Solid Electrolyte Interface,简称SEI）膜，进入到电解液中；在溶剂化后，钠离子将继续在电势梯度和浓度梯度的驱动下，向负极进行迁移和扩散；同时，正极材料颗粒附近的钠离子将会发生去溶剂化过程，穿过正极材料颗粒表面的SEI膜，并在正极材料颗粒表面发生电荷转移反应，从而嵌入到正极材料颗粒内部。以上所述的从负极到正极的钠离子定向移动形成了放电过程中的电池内部电流；与此同时，电子也会通过外部电路从负极向正极发生定向移动，从而形成了电池外部电流。虽然钠离子电池与锂离子电池在原理上具有较大的相似性，但具体的材料体系选择及其相关物化特性决定了钠离子电池在宽温域、安全性和功率性能等方面具有特殊优势。106 国防科技 2023 年第 1 期（总第 338 期）图1 钠离子电池的基本结构和工作原理 4 钠离子电池的主要优势 目前，锂离子电池产业化成熟度高、应用范围广，已逐渐主导整个电化学储能领域。而钠离子电池的工作原理又与锂离子电池具有较大的相似性。因此，本文将以锂离子电池作为主要参照，分别从宽温域、安全性、功率性能以及成本等多个方面分析探讨钠离子电池的优势。4.1 具有宽温域优势，在低温环境下容量保持率更高 首先，钠离子电池可以采用具有稳定相结构的磷酸盐化合物、普鲁士蓝和硬碳等全气候电极。这类电极本身具有更好的宽温域特性，即低温特性和热稳定性俱佳。其次，钠离子相较锂离子具有更大的离子半径，在电极/电解液界面处发生嵌入、脱出反应时的溶剂化和去溶剂化过程更为容易，而溶剂化和去溶剂化过程则是影响电池低温性能的关键反应步骤之一，故钠离子电池的电解液具有更好的低温特性。因此，从电极和电解液两方面来看，钠离子电池的低温性能都更好，同时也容易实现更宽的工作温度区间。据报道，以碳包覆的Na3V2(PO4)3复合材料为电极的钠离子电池可以在-30 55 的温度范围内表现出优异的电化学性能10-11。与之对比，目前锂离子电池对低温环境的适应性较差，在低温下会出现可放电电量明显减少且无法正常充电的问题，需要使用温控装置来加热和保温。在低温环境下使用钠离子电池则可明显减少需要加热的情况，从而提高电储能系统的能效和可维护性；甚至在大多数场景下无需配备加热或保温装置，从而可减小电储能系统的体积和重量，以提高相关武器装备的机动性。4.2 具有高安全优势，热失控发生概率低、危险性小 电池的燃烧、爆炸等安全事故大多是由于电池内部的热量无法及时排出，使得电池内部的有机电解液燃烧，从而引发热失控造成的。提高电池的安全性，就是要一方面降低热失控的发生概率，另一方面降低热失控的危险性。首先，相较锂离子电池来说，钠离子电池的正极材料在高温下具有更好的稳定性，且容易通过添加不易燃烧的钠盐溶剂和阻燃添加剂使得电解液难以燃烧，因此可大幅度降低电池热失控发生的概率12。此外，相较锂离子电池来说，钠离子电池的能量密度较低，如果某钠离子电池发生了热失控，其在短时间内释放出来的能量更少，更容易采用被动安全技术来防止电池系统进一步发生热失控蔓延。因此，即使单个钠离子电池发生了热失控，其险情也容易控制，对整个电池系统造成的危险性更小。综合以上两个方面，使用钠离子电池将大幅提高电储能系统的安全性。周星，等：钠离子电池破解寒区电储能困境的新选择 107 需要特别指出的是，由于锂离子电池低温 性能较差，其在低温环境下充电容易发生析锂副反应；而副反应中沉积的