创业化学人|夏永姚:开启钠电产业的新兴蓬勃力量
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专栏简介




“走进校友科创企业”专栏旨在充分展示复旦科学家及校友在科创领域的努力和成就,邀请各领域科创校友企业创始人、管理者或首席技术官等分享创业历程、技术突破及行业洞察等,使复旦人的科创精神得到具象化呈现,令母校的科创氛围与校友企业相共振,为科技成果转化提供创造性参考,也为科创企业搭建生态桥梁。


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璞钠能源简介


上海璞钠能源科技有限公司成立于2022年5月,是一家专注于新一代储能体系中的钠离子电池及其他电池产品研发和生产的新能源创新科技公司,本文的受访者夏永姚教授是公司创始人之一,也是研发团队的核心人物、公司技术方向的掌舵人。


璞钠能源采用低成本铁源和化学反应工艺结合纳米碳层低温包覆工艺,解决了复合磷酸铁钠纯相材料合成难和电子电导率低的技术难点,产品具有低成本、高容量和长寿命的特点。目前,已成功实现百吨级/年的钠离子电池正极材料的生产与销售,万吨级进入量产落地阶段;已完成动力和储能电池的样品试制,在全球复合磷酸铁钠技术路线研发与产业化进度方面处于领先地位。


2023年1月,璞钠能源面向全球正式发布钠离子新型电池,是小动力行业最早把钠电池产品化的企业之一,该产品采用稳定的模组结构设计、软包电池以及完善的电池管理系统,以钠离子材料优势和高安全技术路线和叠片工艺,构筑安全电池。目前,璞钠的产品NFPP材料已通过较多主流厂商评测,普遍对循环寿命、安全性评价较高。综合来看,在储能上具备广阔的应用前景。


纵观璞钠能源的融资过程,我们可以看到不同主体对于钠离子电池产业的信心。公司首轮融资便得到了重要能源供应企业申能集团和复容投资的支持,而第二轮融资得到上海机场集团的加入,申能集团、复容投资等也继续投下信心一票。璞钠能源目前的股权结构中,不乏相关产业背景的股东,如电池行业巨头超威集团的身影。



璞钠能源研发大楼



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创始人:复旦大学化学系夏永姚教授


璞钠能源拥有顶尖的研发团队支撑,创始人夏永姚是复旦大学化学系特聘教授、博士生导师、国际电化学会(ISE)Fellow,国际电池领域顶级期刊Journal of Power Sources(电源杂志)编辑,历任中国电化学会主任,是电化学领域国际上极具影响力和著名度的专家。


夏永姚教授在物理化学和材料科学的交叉领域——功能材料电化学深耕多年,其中新型储能材料和储能技术的研究便是他创办璞钠能源的科研基石。具体而言,夏教授从1990年起一直从事新型储能材料和技术的研究,包括锂(钠)离子电池、电化学电容器和新型电池体系等。


2003年回国至今主持国家重点研发计划(首席科学家)、国防科技“173计划”(技术首席)、科技部“973计划”、“863计划”项目、国家自然科学基金重点、面上项目、上海市科委和企业合作项目等40余项。他多年如一日用心做科研,赢得硕果累累:曾于2015年获中国电化学会“电化学贡献奖”;2016年获教育部自然科学一等奖(排名第一);2018年获国际电池材料协会(IBA)“Battery Technology Award”;2019年获美国电化学会(ECS) “Battery Division Technology Award”等多个国内国际奖项,是我国第一个“钠基电池”国家重点研发计划首席科学家


与此同时,他的学术成果影响并未止步于实验室,目前多项研究成果已实现产业化,并与多家世界500强企业有合作研发项目。而我们到访的璞钠能源,正是他基于对电池产业的专业性洞见,和其他创始人、相关产业投资人合力打造的新能源科创“新起之秀”。


此外,璞钠能源的核心团队还拥有以中国500强企业超威电源集团前董事陈经宁为总经理的产业团队,汇聚了一批在电池和电池材料细分领域具有较大影响力和推动作用的专业人才。


复旦大学特聘教授、博士生导师夏永姚


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为什么是钠电?


钠离子电池是实现碳达峰、碳中和目标的关键支撑之一。国家发改委、能源局、工信部的规划文件中多次提及尽快推动钠电市场化应用。工信部十四五规划明确提出大力支持钠离子电池在储能领域的发展,并颁布有关文件明确提出对钠电行业标准进行规定。2024年3月,国家市场监管总局标准技术司发布2项拟立项储能系统用钠离子电池国家标准,为钠电产业的发展指明了方向。


初见夏永姚教授时,是一个阳光明媚的午后,当谈到为什么选择钠电产业赛道时,他先是分析了钠电产业相较于锂电产业的战略性比较优势,光线透过窗户照进我们聊天的会议室,一如他心目中坚信钠电产业的光明前景。


不可回避的是钠元素相较于锂元素在国内的自然储量有着巨大差异。“虽然电动汽车市场的需求量锂电基本能够满足,但是国家对于新型储能未来产业制定了战略性的发展规划,储能市场需求量会非常大。”在我国2022年的储能累计装机占比中,新型储能仅占约22%,但仅仅一年之后,这个数字就变成了38.40%。可以预见,在碳达峰、碳中和的中长期目标驱动下,新型储能装机量将逐年增加。“而我国发展储能产业,始终会面临锂的战略储备不足问题”,夏永姚如是判断,“发展钠电,将是锂电的战略补充技术


这个判断其实已经被市场证明过,电池用碳酸锂价格一度暴涨至50万余元每吨,波动性极大。这是因为我国金属锂储量仅占全球储量的6.8%,对锂进口依赖性极高,而钠元素来源广泛,丰度极高,达到锂元素的1000倍以上,在新能源技术发展带动需求不断增长的大背景下,钠电是呼之欲出的必然补充。


夏永姚继续分析了钠电在成本和性能上的比较优势,“市场最主要考虑的无非就是性价比”,而钠离子电池的物料成本有断层式的巨大优势:目前,锂电池级碳酸锂价格回落至约9万元/吨左右,而电池用碳酸钠价格仅在5千元/吨左右,“综合考虑,在实现量产的条件下,钠电的成本将比锂电低大概30%”,当把目光放到更大规模的应用场景中,预期的成本差异无疑更加显著。


钠电在性能上相较锂电也有明显的独特优势,一方面是钠离子电池低温下依然能够工作,在-20摄氏度的环境下,钠离子电池往往能保持90%甚至以上的容量,在-40摄氏度的环境下,钠离子电池仍能保持70%的容量;而锂离子电池此时容量跌去接近一半。另一方面,相较于锂电,钠离子电池的安全性更高在针刺、过充过放、挤压等安全测试中,钠离子本身的特性和实验都证明了钠电几乎不会出现起火、爆炸等现象。


另外,钠电产业具有后发优势,与锂离子电池的工艺、设备兼容,钠离子电池正极材料制备的复合磷酸铁钠技术路线与锂离子电池的磷酸铁锂路线相类似,而层状氧化物技术路线则与锂电的三元锂路线相类似,对于专注钠电的企业而言,在技术改进等方面有很多可以借鉴锂电产业发展的过程,缩短产业成熟周期同时,传统制造锂电的产线也可以兼容钠电的转产,可将部分产线转变为钠离子电池生产线,这对于钠电的规模化发展同样大有裨益。


电极材料制备煅烧产线


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首创技术路线:聚阴离子-复合磷酸铁钠


璞钠能源战略聚焦于钠离子电池的正极材料制备,而正极材料的制备主要有三种技术路线:层状氧化物、聚阴离子和普鲁士蓝类。聚阴离子路线又可以细分为复合磷酸铁钠和硫酸铁钠两个方向。璞钠选择选择的是正极聚阴离子-复合磷酸铁钠


提及技术路线的选择,“层状氧化物主要具有能量密度优势。实际上,它在价格和循环寿命方面并没有太大优势,而储能市场对能量密度的要求并不高,层状氧化物路线很难能很好地发挥钠离子电池,这导致它难以应用在储能场景下,而储能场景恰恰是钠离子电池最主要的增量需求所在。“而普鲁士蓝的技术路线目前看来还是一个问号”,材料的制备工艺、结晶水及毒性等的问题仍需解决。“所以我们在创业初期就坚定地选择聚阴离子-复合磷酸铁钠的路线”,说到这时,夏永姚的目光愈显坚定。


当谈到复合磷酸铁钠和硫酸铁钠之间的选择,“硫酸铁虽然价格低廉,但是循环性能上无法满足储能需求”,同时,硫酸盐路线在工艺上与锂电差别很大,这使得材料制备工艺仍需研发。而复合磷酸铁钠路线则与锂离子电池正极材料中磷酸铁锂路线相类似,技术上可借鉴的地方更多。夏永姚教授团队研发的钠离子电池正极材料,是一种复合聚阴离子磷酸盐材料。璞钠产品的循环性能可以做到6000圈,与储能市场广阔的应用前景也最为契合,是储能领域的理想选择。


上海市经信委也展现出了对聚阴离子-复合磷酸铁钠技术路线的充足信心,璞钠能源作为牵头单位的新型储能项目《100kW/200kWh钠离子电池储能电站示范应用》入围了2024年度上海市未来产业试验场“揭榜挂帅”项目,是仅有的9家揭榜单位之一,也是唯一入选的民企背景的科创企业,联合单位有上海来至乐敬能源科技有限公司、上海机场(集团)有限公司、上海申能诚毅股份投资有限公司和复旦大学,聚阴离子-复合磷酸铁钠技术路线正合各界之力,走向新能源科创大舞台的“C位”。


璞钠能源——钠离子电池研究中心


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产能规划及发展定位


在地方政府、投资方的信心注入下,处于起步期的璞钠将走上产能扩张之路,百吨级产线建成后市场高度认可,产品供不应求。但夏永姚的态度是进取而不失稳健,“产能的扩张也存在两难的矛盾,如果达不到一定规模的产量,那么下游订单可能不会优先考虑我们。如果建立新产线后,但面临没有足够的市场需求,也会带来新的问题。因此,平衡产能也是一个关键点”,璞钠选择稳健的发展路径,既能让自身可持续运转,又不至于带来过重资金压力的方案,“在有销量预期的前提下,我们的产能建设是一次规划,分步实施。第一步是在年底之前先建立一万吨正极材料的产能,不会盲目一次把产能做得太大,在一万吨正极材料等产能利用率达到预期后,璞钠才会考虑进行下一轮产能建设。


产能扩张并不只是一个数字的决定,这个决策反映着璞钠团队对未来应用场景的分析。璞钠的产品应用主要在于两大场景:储能产业,小动力尤其是电动两轮、三轮车用电池。其中,储能是增长潜力最大的未来应用场景,在储能方面,钠离子电池拥有原料储量及成本、低温性能和安全性高等三方面优势;而电动两轮等小动力交通工具的市场中,锂离子电池已经先发占据了大部分份额。夏永姚认为,“钠电和锂电将是长期共存的状态”,两个产业形成互补共存,而钠离子电池在市场中能占据多少份额,则取决于产品的性价比,尤其在于成本的控制,而如前所述,基于较低的原料成本,夏永姚有充足信心,在实现量产后,理论上钠离子电池的成本将比锂离子电池低接近30%左右,从而实现市场份额上的扩张。


夏永姚着重谈到与璞钠股东之一——上海机场集团的合作,“我们的产品在机场的应用场景主要有两个方面”,其一是机场内的公共交通,比如乘客摆渡车、地勤工作用车等,“这些交通工具对于续航里程可能并没有很高的要求,但对低温下的性能肯定有要求”,这就和璞钠的聚阴离子-复合磷酸铁钠技术路线的特点相当契合。其二是一些特定位置的机场可能会采用风能、太阳能等发电形式,且机场也是能源消耗重地,有比较大的潜在储能需求,“很可能成为未来双方合作的增长点”。璞钠的另一个股东申能集团本身就是一个能源企业,而中国有巨大的储能市场需求,绿色能源体系是未来能源发展的必然趋势。

璞钠能源研发的电极材料、电池及储能电池集成模型


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从科学家到创业者的转变之路


从科研专家到产业创新领军者,夏永姚在学界和业界的丰富经历,令他对于科技成果转化有着深刻的见解。“2003年回国前,我在当时日本著名的电池公司研发中心工作了几年,那几年的工作经历对我后来的产业化研发帮助很大”。“高校的基础性研究与企业的市场化研发非常不同”,夏永姚进一步阐释两者角色的差异,“高校的工作主要是把科学道理讲清楚,走在市场前面研发、验证一些革新性技术”,他认为高校的研究发挥自由度更高,成本控制也相对宽松,相应地也有责任去承担一个“开拓者”的角色,而企业始终无法抛开经济上的盈亏。夏永姚再次提到性价比的问题,“做企业时,产品必须具有较高的性价比,很多市场即使技术很先进,性能很好,如果性价比不高,那么仍然可能不被市场接纳。”夏永姚认为,企业在成本控制和质量控制两方面都更为严格,企业研发人员面临的约束与高校科研工作者有质的区别,这也是产业与学术合作达成互补互促的必要性所在。


从学术研究与产业研发的区别出发,谈到高校科研人员的自主创业问题,夏永姚也为“后来者”提供了实在的建议,“一方面,需要经常与产业界的人交流,才能了解行业的情况,才能仔细甄别自己的项目是否适合进入市场创业”,长期在高校从事科研工作,未必能对相应的行业动态有足够全面的认识,也难以评估自身科研成果的市场价值。“另一方面,必须找到合适的合作方和平台”,创业重在团队专业化协作,科研人员或许对企业管理、市场调研等方面不尽了解,找到合适的创业伙伴才能最大化科研成果的经济价值,更有效实现企业的良好运作。


复旦科创母基金(筹)致力于打造复旦大学的科技成果转化生态圈,为高校科研人员的自主创业提供助力。夏永姚也充分肯定了学校为服务科技成果转化而开创性设立科创母基金的积极作用,“能为创业者提供足够的信心,也能为潜在的投资方提供足够的信心”,他也期待未来能够与复旦科创生态圈深度融合,保持与地方政府、产业和市场的全面合作。


璞钠能源位于金山化工区的厂房





璞钠能源希望与有志于在钠电产业长期耕耘的企业单位建立联系,联合开展研发、市场、投资等方面的紧密合作。有意向与璞钠能源合作者或有意向接受本专栏采访者请扫码添加微信号:


  



撰稿:罗衍舜、顾亚佩
审核:茅焜裕