胡勇胜: 深耕钠电十余载，终成一极海钠人

声明：商业转载请联系原作者

【 摘要 】

胡勇胜，中科院物理研究所研究员、博导。中科院“百人计划”国家杰出青年科学基金，国家“万人计划”科技创新领军人才。主要研究方向包括固态钠离子学和钠离子二次电池关键材料等，在Nature，Science等学术期刊上共发表论文200余篇，SCI引用超过30000次，H-因子90，连续7年入选科睿唯安“全球高引科学家”名录。2017年以中国科学院物理研究所陈立泉院士、胡勇胜研究员为技术带头人的研究开发团队成立中科海纳，系创始人、董事长兼CTO。2021年6月，全球首套1MWh钠离子电池储能系统在山西太原正式投入运营；2022年1月，全球首款钠离子电池家用储能系统正式亮相拉斯维加斯CES展。

01

人物简介

胡勇胜

简介

中科院物理研究所研究员，博导。中科院“百人计划”国家杰出青年科学基金，国家“万人计划”科技创新领军人才。连续四年入选汤森路透社全球“高引科学家”名录。主要研究方向为新能源材料与器件及其相关基础科学问题主要包括： 钠离子电池材料与器件、纳米离子学（离子/电子在纳米尺度上的输运、存储与反应问题）、光电一体化能源系统。

主要工作及成果

1. 出版《钠离子电池科学与技术》专著一本
2. 发现Cu2+/Cu3+氧化还原电对在钠离子氧化物中具有电化学活性，并以此设计系列不含Ni/Co空气中稳定性好的低成本氧化物正极材料
3. 提出无烟煤作为前驱体制备低成本无定形碳负极材料，并研制出容量大于400 mAh/g兼顾高首效的碳负极材料
4. 提出新型高盐/低盐浓度电解质体系
5. 提出利用阳离子势来预测层状氧化物相结构的方法
6. 2018年6月推出了全球首辆钠离子电池微型电动车
7. 2019年3月发布了全球首座100 kWh钠离子电池储能电站
8. 2021年6月启用全球首套1 MWh钠离子电池光储充智能微网系统

9. 2022年1月，全球首款钠离子电池家用储能系统正式亮相拉斯维加斯CES展。

在Science、Nature Energy等国际重要学术期刊上共合作发表论文200余篇，引用30000余次，H-因子90，连续7年入选科睿唯安 “高被引科学家”名录。合作申请60余项中国发明专利、5项国际发明专利、已授权40项专利（包括美国、日本、欧盟等5项）。目前担任ACS Energy Letters杂志资深编辑及多个专业杂志的审稿人，例如Nature, Science, Nature Energy, Joule, Nature Commun等。 

02

经典论文解读

1

碳包覆的具有NASICON结构的

Na3V2(PO4)3复合材料

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）清洁能源实验室E01组胡勇胜研究员与合作者等开发出一种新型磷酸钒钠Na3V2(PO4)3/C复合正极材料。作为钠离子电池正极时，充放电平台在3.4 V左右（如图1所示），其储钠平均电压高于目前报道的大部分钠离子电池正极材料。Na3V2(PO4)3/C复合材料的可逆容量达到100 mAh/g以上，接近其理论容量（117 mAh/g），通过优化电解液组成，首周库仑效率高达98%，首周后库仑效率达到99.5%以上（如图2所示）。原位XRD研究表明，该材料储钠机制为一典型的两相（ Na3V2(PO4)3 和NaV2(PO4)3）反应（如图3所示），其充放电过程中体积形变较小，约为8.3%。具有NASICON结构的 Na3V2(PO4)3（其中2个Na占据晶格中18e位置，1个Na占据6b位置）材料结构稳定，Na+离子在脱嵌过程中，主体结构保持不变，循环稳定（如图2所示），适合作为长寿命室温钠离子储能电池的正极材料，可以和硬碳等负极材料构建室温钠离子储能电池（如图3所示），其理论能量密度达到180 Wh/kg（基于正负极质量计算）。

图1 Na3V2(PO4)3 /C复合正极材料的典型充放电曲线

图2 Na3V2(PO4)3 /C复合正极材料的循环性能及库仑效率

图3  Na3V2(PO4)3正极材料的储钠机制：典型两相反应

Electrochem. Commun.,14: 86-89, 2012.

2

室温钠离子储能电池有机负极材料对

二苯甲酸二钠（Na2C8H4O4）研究取得新进展

有机材料具有丰富的化学组成，宽的电位范围可调，可以实现多电子转移，而且原料可以从自然界生物质中得到，来源丰富，材料可循环降解，对环境无害，作为电极材料引起了研究者的极大兴趣。钠离子电池的定位就是用于大规模储能电池，因此研发低成本、环境友好的有机电极材料更具有其必要性。最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的清洁能源实验室E01组博士生赵亮与胡勇胜研究员等提出了一种新型成本低廉的有机材料——对二苯甲酸二钠（Na2C8H4O4）作为钠离子电池负极材料，该材料具有约250 mAh/g的可逆储钠容量，平均脱嵌钠电位0.43 V, 且循环稳定，是一种有前途的负极材料。由于该材料导电性较差，使用时需要混合大量的导电添加剂，导致其首周库仑效率较低。我们进一步利用原子层沉积技术（ALD）对其电极表面进行几个纳米的Al2O3包覆，部分抑制了SEI膜的生长，提高了其首周库仑效率、倍率性能和循环性能。

图 1 有机负极材料对苯二甲酸二钠（Na2C8H4O4）的分子式及储钠机制。苯环上连的两个羧基中的羰基可以和两个钠离子结合和分开，实现钠离子的可逆嵌入和脱出，对应255 mAh/g的理论比容量。

图 2 Na2C8H4O4/KB前10周典型充放电曲线（倍率0.1C）

图3 Na2C8H4O4/KB未包覆的初始电极、ALD20电极（约2 nm Al2O3 包覆）、ALD50（约5 nm Al2O3包覆）电极不同充放电倍率下的放电曲线（a-c）以及0.1C倍率下的循环性能（d）。

Advanced Energy Materials, 2, 962-965, 2012

3

原子尺度嵌钠相界面结构以及室温钠离子电池新型负极材料研究取得重要进展

通过与先进材料与结构分析实验室A01组谷林研究员合作，利用先进的球差校正扫描透射电镜(STEM)，对嵌入1.5 mol Na的Li3[LiTi5]O12样品原子级微观结构进行了直接观测（图1）。结果发现产物为有趣的三相共存结构，分别形成Li3[LiTi5]O12/Li6[LiTi5]O12界面以及Li6[LiTi5]O12/Na6[LiTi5]O12界面，初始相Li3[LiTi5]O12与Na6[LiTi5]O12相之间间隔着Li6[LiTi5]O12相，初始相Li3[LiTi5]O12与Na6[LiTi5]O12相不相连。其中Li3[LiTi5]O12/Li6[LiTi5]O12之间晶格失配大约为0.1%，Li6[LiTi5]O12/Na6[LiTi5]O12之间晶格失配率为12.5%, 但两相边界均为尖锐连贯的原子尺度相边界。对于完全嵌Na（3mol）的样品（图2），则为Li6[LiTi5]O12与Na6[LiTi5]O12两相共存。

图 1  1.5 mol Na 嵌入1 mol Li4Ti5O12纳米颗粒的高分辨扫描透射电镜成像。（a）尖晶石结构垂直于（110）面的格点排列；（b-d）Li4Ti5O12对应的电镜成像；（e-g）Li7Ti5O12对应的电镜成像；（h-j）Na6LiTi5O12对应的电镜成像；（k）三相共存嵌钠颗粒的环形明场像；（l，m）图k相边界对应的线扫描衬度。

图2  3 mol Na 嵌入1 mol Li4Ti5O12纳米颗粒的高分辨扫描透射电镜成像。（a）HAADF图像；（b）ABF图像；（c）图a相边界对应的线扫描衬度；（d）图b相边界对应的线扫描衬度。

Nature Communications, 4, 1870, 2013

4

室温钠离子储能电池零应变负极材料研究取得重要进展

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）的清洁能源实验室固体离子学研究组博士生王跃生、胡勇胜研究员等在对尖晶石结构的Li4Ti5O12嵌钠机理的认识基础上，设计了一种新型钠离子电池具有层状结构的零应变负极材料P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2，肖睿娟副研究员通过第一性原理计算预测该材料能够稳定存在并且发现钠在嵌入脱出过程中体积形变只有0.21%，而且锂的引入有助于钠离子的传输，进一步降低了钠离子扩散活化能（如图1和图2所示）。实验结果分析表明，该材料为P2层状氧化物，空间群为P63/mmc，Li\Ti占过渡金属位，钠占碱金属层间的两个位置（2b，2d），与上下氧形成三棱柱结构；材料的颗粒尺寸在10-15微米之间（如图3所示）；图4a可以看出该材料在C/10倍率下显示116 mAh/g左右的可逆容量，对应0.34个Na的嵌入和脱出，200周循环后容量保持率为88%；平均储钠电压为0.75V，远高于金属钠的沉积电位；充放电曲线为斜坡状，可能为单相反应，与常见层状P2相氧化物多相反应机制不同；同时该材料在2C的倍率下循环1200周后容量保持率为75%（图4c），显示极其稳定的循环性能；当该负极材料与磷酸钒钠/碳复合正极组装成全电池时，其平均工作电压为2.5 V，显示较好的循环和倍率性能（图4d）。该材料室温下Na+离子表观扩散系数约为1×10-10 cm2/s，与计算结果符合比较好，并和Li+离子嵌入石墨的扩散系数相当（图8）

图1  计算模型：(a) P2-Na[Li0.33Ti0.67]O2，(b) P2-NaTiO2，(c) O3-NaTiO2。橙色、紫色、绿色和红色分别代表钠、锂、钛和氧

图2  Na+离子扩散活化能和扩散路径：(a, e) P2-Na[Li0.33Ti0.67]O2，(b, f) P2-NaTiO2，(c, g) O3-NaTiO2

图3  P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2材料的形貌及结构图：（a） XRD图谱及形貌，（b）样品的结构图

图4 P2-Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2材料的电化学性能 ：（a） C/10倍率下循环200周的充放电曲线，（b）倍率性能，（c）2C倍率下的长循环性能，（d）Na3V2(PO4)3/C//Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2全电池电化学性能

Nature Communications, 4, 2365, 2013

5

室温钠离子电池研究取得突破

中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室E01课题组博士生徐淑银、胡勇胜研究员等另辟蹊径，发现过渡金属Cu 元素在钠离子电池层状材料中可以实现Cu3+/Cu2+氧化还原电对的可逆转变。首先，他们设计和制备了P2相层状氧化物材料Na0.68[Cu0.34Mn0.66]O2和Na0.68[Cu0.34Mn0.50Ti0.16]O2（氧化物中Cu是2+， Mn和Ti都是4+），作为正极材料中能实现可逆的脱嵌钠离子，对应的储钠电位在3.2 V vs. Na+/Na以上，这是首次在二次电池中真正实现Cu3+/Cu2+氧化还原电对的可逆转变，并且表现出非常小的电化学极化，作为此领域研究的国内外最新突破，此重要研究结果优先发表在我国科技期刊Chinese Physics B, 2014, 23, 118202。这对于设计和发展室温钠离子电池正极材料提供了一个新的方向，基于此，他们又设计了一系列更具有实用化前景的含铜、铁、锰元素的钠离子电池层状正极材料：P2-Na7/9[Cu2/9Fe1/9Mn2/3]O2和O3-Na0.90[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2。

博士生李云明、胡勇胜研究员等利用成本更加低廉的过渡金属Fe元素替换部分Cu元素，得到了具有电化学性能优异的P2-Na7/9[Cu2/9Fe1/9Mn2/3]O2材料，其在2.5-4.2 V的电压范围内可逆储钠容量达90 mAh g-1；该材料的最大优点是在电化学脱嵌钠过程中其结构保持P2相不变，而且体积变化只有1.3%左右。充放电过程中，小的体积变化有利于实现长的循环性能（请参考Advanced Science, 2015, 2, 1500031, doi: 10.1002/advs201500031）。

进一步，博士生穆林沁、胡勇胜研究员等又设计了一系列含Cu的O3相层状氧化物材料，其通式可以写为Naa[Cu1-x-y-z-dFexMnyTizDd]O2 (D: dopant, e.g., Li, Mg, Al, etc., 0 < x < 1, 0 < y < 1, 0 ≤ z < 1, 0 ≤ d < 1,0.6 < a ≤ 1) ，实现了Cu2+/Cu3+的氧化还原反应。其中，O3-Na0.90[Cu0.22Fe0.30Mn0.48]O2 正极材料可以实现0.4个钠离子的可逆脱嵌，可逆容量达到100 mAh/g。该钠离子电池正极材料是迄今发现的唯一可在空气中稳定的O3相层状氧化物材料；且循环性能优异，100周循环后容量保持率97%。使用该材料作为正极、硬碳作为负极组装的钠离子全电池具有210 Wh/Kg 的能量密度（基于正负极活性物质质量计算得到）、90%的能量转换效率、优异的倍率性能（6C充放电，容量保持率74%）和循环性能。基于此，该研究组已开发出了一款2Ah的软包钠离子电池，经过进一步优化后实际能量密度可达100Wh/kg。这为后续实现低成本、环境友好的室温钠离子储能电池奠定了良好基础。

Advanced Materials,  27, 6928-6933, 2015

6

室温钠离子电池隧道型氧化物电极材料

研究获得重要进展

中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)的博士生王跃生等在清洁能源实验室E01组胡勇胜研究员的指导下，首先对Ti取代的Na0.44MnO2进行了系统的研究，与A04组谷林研究员、美国布鲁克海文国家实验室杨晓青教授、禹习谦博士、韩国首尔国立大学Kisuk Kang教授以及劳伦斯伯克利国家实验室杨万里博士等合作，通过高分辨球差电镜技术、同步辐射技术及第一性原理计算精确确定了结构中Mn和Ti的占据位置以及电化学过程中承担电荷补偿的过渡金属及其位置 (图2)。Ti的替换打破了原有的Mn4+/Mn3+电荷有序性，进一步影响反应路径，从而平滑了充放电曲线，同时降低了放电电压。此外，Ti替换的样品可用作为水溶液钠离子电池的负极材料，在不除氧的条件下表现出了优异的循环性能，相关研究结果发表在 Nature Communications 2015, 6: 6401。

在认识了隧道结构中各个过渡金属的占位和价态以及电荷补偿机制的基础上，博士生徐淑银和胡勇胜研究员等提出了一种正极材料设计方法（如图3所示），将具有高电位的Fe4+/Fe3+氧化还原电对引入到Ti取代的样品的放电态Na0.61[Mn0.61Ti0.39]O2中，设计出了空气中稳定、具有高钠含量、基于Fe的隧道型氧化物正极材料Na0.61[Mn0.27Fe0.34Ti0.39]O2。A04组谷林研究员通过高分辨球差校正电镜确定了该材料中的各原子占位及其充放电过程中结构的变化。该正极材料在2.5-4.2 V电压范围内，其首周可逆容量可达90 mAh/g，同时表现出了较高的放电电压（3.56 V）；M04组杨海涛副研究员及成昭华研究员采用穆斯堡尔谱证实了充放电过程中Fe4+/Fe3+氧化还原电对参与电化学反应，这是首次在隧道型氧化物中实现Fe4+/Fe3+氧化还原电对的可逆转变。使用该正极和硬碳负极组装的非水钠离子全电池的能量密度可达224 Wh/kg（根据正负极质量之和计算得到），显示了较好的倍率及循环性能（图4）。更为重要的是，该材料中所使用的元素Na、Fe、Mn、Ti均在地壳中含量丰富、环境友好，适合发展大规模储能用钠离子电池。

此外，博士生王跃生和胡勇胜研究员等还设计出了电压相对较低的隧道型氧化物正极材料Na0.66[Mn0.66Ti0.34]O2，可以用作水溶液钠离子电池正极材料，与碳包覆NaTi3(PO4)3/C负极材料组装的水溶液钠离子全电池，平均输出电压约为1.2 V，显示了优异的倍率和循环性能（图5）。

图1. 隧道型Na0.44MnO2氧化物的晶体结构

图2. Ti取代的Na0.44[Mn0.44Ti0.56]O2样品的球差校正高分辨电镜暗场像及其原子分辨EELS和EDS结果

图3. Na0.61[Mn0.27Fe0.34Ti0.39]O2的设计思路及设计前后充放电曲线的对比

图4. Na0.61[Mn0.27Fe0.34Ti0.39]O2||HCS非水钠离子全电池的倍率和循环性能

图5. Na0.66[Mn0.66Ti0.34]O2||NaTi3(PO4)3/C水溶液钠离子全电池的充放电曲线及倍率和循环性能

Nature Communications 6, 6401, 2015

7

阳离子无序的P2-Na_0.6[Cr_0.6Ti _0.4]O₂作为高倍率对称钠离子电池电极材料的研究

文章总结出层状氧化物中阳离子有序-无序排布规律：当过渡金属离子半径比小于1.15时，过渡金属排布趋于无序；当过渡金属具有较大的氧化还原电势差时，电荷趋于无序排布；电荷无序排布进一步导致钠离子和空位的无序排布。钠离子和空位的无序排布在充放电曲线上反映为无台阶，曲线较为平滑。根据总结的规律，作者选择了离子半径相似的Cr^{3 +}和 Ti⁴⁺，设计了P2-Na_0.6[Cr_0.6Ti _0.4]O₂层状材料。由于Cr^{3 +}可以被氧化和 Ti⁴⁺可以被还原，所以该材料既可以作为正极也可以作为负极。作为正极材料时，平均储钠电位为3.5V，可逆比容量约为75 mAh/g，对应0.27个Na可逆脱嵌；作为负极材料时，平均储钠电位为0.8 V，可逆比容量约为108 mAh/g，对应0.4个Na可逆脱嵌。该材料具有较好的倍率性能，以该材料既作正极又作负极组装全电池，经测试，该电池在12C的倍率下，电池容量是低倍率下的68%。通过原位XRD以及EELS对该材料结构变化以及电荷补偿机制进行了详细研究，结果显示钠离子在嵌入和脱出过程中，其反应机制为单相反应，并且Cr作为正极充电结束后，最终变为+4价，而不是有毒的+6价。通过变温中子测试，该材料在3K到1073K均保持钠离子和空位的无序性。

图6 Na_0.6[Cr_0.6Ti_0.4]O₂中钠离子在不同温度 (a) 3 K；(b) 300 K；(c)1073 K 的位置核密度；(d)在1073 K下材料晶体结构下的核密度分布图；(f) 钠离子在两个空位位置上的温度关系图

Nature Communications 6, 6954, 2015

8

发现一种新型钠离子电池有机负极材料

有机材料具有丰富的化学组成，氧化还原电位可调，可以实现多电子转移，而且原料来源丰富，成本低廉，材料可循环降解，对环境无害，作为钠离子电池电极材料引起了大家的广泛关注。中国科学院物理研究所／北京凝聚态物理国家实验室(筹)清洁能源实验室E01课题组博士生吴晓燕、胡勇胜研究员等发现了一种新型钠离子电池有机负极材料——2,5苯醌-1,4二钠（Na2C6H2O4）（中国发明专利，申请号：2014102450296），并研究了电化学性能及其储钠机制。该材料的平均嵌钠电位为1.4V，首周可逆容量265mAh/g。由于嵌钠电位较高（>1.0V），充放电过程中表面形成SEI膜极少，获得了较高的首周库仑效率（92%）。但有机材料的电导率普遍偏低，他们利用该材料溶于水的特点，又发展了一种喷雾干燥方法，一步制备和构建了具有离子电子混合导电网络结构的Na2C6H2O4/CNT复合材料，表现出良好的循环和倍率性能，在7C倍率下，可逆容量达到136mAh/g，1C倍率下30周循环后容量保持在195mAh/g。同时，这一方法可以推广到具有低电导率的水溶性或油溶性材料，实现与亲水性或亲油性的碳纳米管的有效复合，低成本、一步实现具有高电导率的复合电极材料（请参考Journal of Materials Chemistry A, 2015, 3, 13193-13197）。

进一步和A02组金士锋副研究员、陈小龙研究员合作，解析出Na2C6H2O4及其嵌钠态Na3C6H2O4和Na4C6H2O4的晶体结构，发现它们的结构是由互相平行的有机苯环层和无机Na-O层交错堆叠而成的有机-无机层状结构。原位XRD结果显示，在前两周充放电中的结构变化为：首周放电发生Na2→Na4的两相反应，首周充电中则依次发生Na4→Na3和Na3→Na2两个两相反应过程；在第二周的放电和充电过程中均出现中间相Na3相。随着Na的嵌入，Na原子和羰基的配位情况发生了变化，Na3相的Na-O层相比于Na2相和Na4相发生了一定程度的扭曲，同时苯环与bc平面之间的夹角减小，整个分子发生转动。结合第一性原理计算，E01组博士生章志珍等研究了Na2C6H2O4材料及其嵌钠态Na3C6H2O4和Na4C6H2O4的电子结构及钠离子传输机制。发现电子在有机苯环层内传递和存储，苯环为氧化还原中心；而钠离子在无机Na-O层中扩散和存储，这个新的机制类似于过渡金属层状氧化物材料。这对于设计新型的有机材料提供了理论指导。

Science Advances 1, e1500330, 2015

9

物理所基于无烟煤软碳负极材料开发低成本钠离子电池

在钠离子电池碳基负极材料上取得了突破，采用成本更加低廉的无烟煤作为前驱体，通过简单的粉碎和一步碳化得到了一种具有优异储钠性能的碳负极材料。裂解无烟煤得到的是一种软碳材料，但不同于来自于沥青的软碳材料，在1600°C以下仍具有较高的无序度，产碳率高达90%，储钠容量达到220mAh/g，循环稳定性优异。最重要的是在所有的碳基负极材料中具有最高的性价比。其应用前景也在软包电池中得以验证，以其作为负极和Cu基层状氧化物作为正极制作的软包电池的能量密度达到100Wh/kg，在1C充放电倍率下容量保持率为80%，循环稳定，并通过了一系列适于锂离子电池的安全试验。低成本钠离子电池的开发成功将有望率先应用于低速电动车，实现低速电动车的无铅化，随着技术的进一步成熟，将推广到通讯基站、家庭储能、电网储能等领域。

Energy Storage Materials, 5, 191-197, 2016

10

一石三鸟——氧离子变价提升钠离子电池正极材料能量密度、抑制相转变及降低体积形变

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室E01组博士生容晓晖在胡勇胜研究员、禹习谦副研究员和谷林研究员的指导下，在Cell Press旗下的能源旗舰期刊 《Joule》上发表最新研究成果“Anionic Redox Reaction Induced High-Capacity and Low-Strain Cathode with Suppressed Phase-Transition”。研究者基于前期的阴离子氧化还原的研究基础（Joule, 2, 125-140, 2018），设计了结构和组成为P2-Na0.72[Li0.24Mn0.76]O2的钠离子电池正极材料，发现组装的半电池在1.5-4.5 V之间具有~270 mAh/g的超高可逆比容量，能量密度可达700 Wh/kg，是目前已知具有最高能量密度的钠离子电池正极材料。后与美国布鲁克海文国家实验室胡恩源博士和杨晓青教授、法国波尔多大学Claude Delmas教授等深度合作，通过中子散射、同步辐射技术等先进表征手段细致研究了该材料的电荷补偿机制和结构演化过程，并发现了阴离子氧化还原机制不但可以提供额外的容量，还具有稳定钠离子电池层状结构、减小体积应变的作用，这是该材料具有超高比容量的内在原因。

研究发现P2结构具有较大的层间距（相对O3相），能够容忍O-O键长变化带来的晶格畸变；同时较大的层间距能有效抑制充电过程中阳离子向碱金属层迁移（富锂材料中发生的层状向尖晶石结构相变），保持稳定的层状结构，从而使得氧离子的氧化还原反应可逆。除此之外，由于首周充电电荷补偿全部由氧提供，这就减小了相邻氧层的静电排斥作用，进而抵消由于钠离子脱出而减弱的静电屏蔽效应，从而在充电末仍然稳定了P2型层状结构，且减小了体积应变。

Joule, 2, 125–140, 2018.

11

在低盐浓度电解液基钠离子电池

研究中取得进展

中国科学院科学家团队——物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心清洁能源重点实验室博士生李钰琦、杨佯在研究员胡勇胜、副研究员陆雅翔的指导下，将六氟磷酸钠（NaPF 6 ）溶解于碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），设计了一种可应用至钠离子全电池的低盐浓度电解液（0.3 M浓度）。得益于电解液的低粘度、低氢氟酸腐蚀以及形成的富含有机成分的固体电解质中间相等（对比1 M浓度），电池工作温度窗口得到明显的拓宽（-30至55℃）。中科海钠科技有限责任公司研发团队进一步研制了基于低盐浓度电解液的Ah级电芯，3000周后容量保持率80%以上。

低盐浓度电解液概念的提出为可充式电池在极端条件下稳定运行提供了新思路，未来低盐浓度电解液概念有望扩展到其他的电解质体系及其他低成本储能电池。

ACS Energy Letters 5, 1156-1158, 2020

12

指导钠离子电池层状氧化物电极的设计制备

中国科学院物理研究所陆雅翔副研究员、胡勇胜研究员联合哈佛大学Alán Aspuru-Guzik教授、波尔多大学Claude Delmas教授、代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker教授等人通过引入了“阳离子势”来表征层状材料的关键相互作用，使得预测堆叠结构成为可能。通过合理设计和制备具有改善性能的层状电极材料可以证明堆叠结构决定功能性能的特点，此方法为碱金属层状氧化物的设计提供了有效的解决方案。

图一、阳离子电势及其在钠离子层状氧化物中的应用

图二、O3型氧化物的设计

图三、P2型氧化物的设计

图四、碱金属层状氧化物的阳离子电势相图

Science 370, 708-711, 2020

03

胡勇胜与中科海纳

2017年以中国科学院物理研究所陈立泉院士，胡勇胜研究员为技术带头人的研究开发团队成立中科海纳。其拥有多项钠离子电池核心专利，是国际少有拥有钠离子电池核心专利与技术的电池企业之一。中科海纳聚焦低成本、长寿命、高安全、高能量密度的钠离子电池产品，潜在应用覆盖低速电动车、规模储能、电动汽车、国家安全等领域。同时，公司可供应钠离子电池正负极材料与电解液。

自2011年起，由胡勇胜研究员带领的研发团队在物理所三十多年锂电池研究积累的基础上，致力于低成本、安全环保、高性能钠离子电池技术的研发。该体系选用资源丰富的钠作为活性元素，正负极材料分别选用成本低廉的钠铜铁锰氧化物和无烟煤基软碳，从而具备了明显的成本优势。经过十年的努力，胡勇胜研究员带领的研发团队在科研及技术方面不断取得突破性进展，目前钠离子电池的能量密度已达到145 Wh/kg，是铅酸电池的3倍左右。低成本钠离子电池有望在低速电动车、电动船、家庭储能、电网储能等领域获得应用。

中科海纳的成立使的钠离子电池商业化进程得以加速，从电极材料的基础研发到放大制备和生产、从材料到电芯、从单体电池到电池模块、从电池组件到低速电动车，扎实推进，稳步前行。2018年，首辆钠离子电池低速电动车的亮相；2019年，首座钠离子电池储能电站问世，标志着钠离子电池的商业化之路正式开启！

2021年6月，全球首套1MWh钠离子电池储能系统在山西太原正式投入运营，在仪式现场，胡勇胜在采访种说到，钠离子电池的能量密度比锂离子电池低，但是钠离子电池的安全性、经济性、工作温度、循环周期等多项指标都优于锂离子电池，更重要的是钠离子电池不含贵金属，破解了稀缺资源卡脖子难题。

2021年12月，中科海钠与三峡能源、三峡资本及安徽省阜阳市人民政府达成合作，将共同建设全球首条钠离子电池规模化量产线。该产线规划产能5GWh，分两期建设，一期1GWh将于2022年正式投产。

2022年1月，全球首款钠离子电池家用储能系统正式亮相拉斯维加斯CES展。该产品由BLUETTI设计，系统搭载的钠离子电池由中科海钠自主研发，产品性能优异，安全性能好，在极限情况下可保证不起火、不爆炸；使用寿命长，NA300设计使用寿命12年，安装有钠离子电池专用BMS，可将电池使用寿命提升至10000次；充、放电温区宽，可实现零下25℃低温环境的充、放电使用；具备快充功能，满功率充电时，可在30分钟内充电到85%。

本款产品主要面向海外市场，进行钠离子电池的海外市场布局，为中国钠离子电池产业在世界上取得主导地位奠定基础。储能系统基础款为3度电3千瓦的配置，依照家庭使用的需求，可加配4.8度电的钠离子电池包，组成7.8度电3千瓦的增配款，或12.6度电的高配款，最高可组成25.2度电6千瓦的光伏储能系统，基本满足家庭每天的电力需求。

中科海钠研发团队十多年专注钠离子电池研发，在“双碳目标”的引导和国家政策的支持下，近年来，越来越多的科研工作者、企业和资本将目光聚焦到钠离子电池赛道，钠离子电池产业发展进入快车道。此次正式上线钠离子电池家用储能系统产品，是钠离子电池产品日趋成熟、走向标准化规模化推广的又一个典型案例。

未来，中科海钠将按照不同应用场景，陆续推出系列钠离子电池产品，将各示范应用转化为成熟商用产品，广泛应用于低速交通及储能等领域，为早日达成“双碳目标”，构建“绿色中国”贡献力量。