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多年來(lái)，熔融鈉電池一直用于存儲(chǔ)來(lái)自太陽(yáng)能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)等可再生能源的能量。然而，市售的熔融鈉電池，稱為鈉硫電池，通常在520-660華氏度下運(yùn)行。

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了一類用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的新型熔融鈉電池。該電池技術(shù)作為論文發(fā)表在近期的科學(xué)雜志《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》上。桑迪亞的新型熔融碘化鈉電池在230華氏度的溫度下運(yùn)行。

該項(xiàng)目的首席研究員 Leo Small 說(shuō)：“我們一直在努力將熔融鈉電池的工作溫度降低到盡可能低的水平。” “隨著電池溫度的降低，整個(gè)級(jí)聯(lián)成本可以節(jié)約。你可以使用更便宜的材料。電池需要更少的絕緣，連接所有電池的電線可以更細(xì)。”

然而，他補(bǔ)充說(shuō)，在550度下工作的電池化學(xué)物質(zhì)在 230 度下不起作用。允許這種較低工作溫度的主要?jiǎng)?chuàng)新之一是他所謂的陰極電解液的開發(fā)。陰極電解液是兩種鹽的液體混合物，在這種情況下，碘化鈉和氯化鎵。

制造更好電池的基礎(chǔ)知識(shí)

堿性鉛酸蓄電池，常用作汽車點(diǎn)火電池，有鉛板和二氧化鉛板，中間有硫酸電解液。當(dāng)電池釋放能量時(shí)，鉛板與硫酸反應(yīng)形成硫酸鉛和電子。這些電子啟動(dòng)汽車并返回電池的另一側(cè)，在那里二氧化鉛板使用電子和硫酸形成硫酸鉛和水。一直在工作的材料科學(xué)家 Erik Spoerke 表示，對(duì)于新型熔融鈉電池，鉛板由液態(tài)金屬鈉代替，二氧化鉛板由碘化鈉和少量氯化鎵的液體混合物代替。在熔融鈉電池上已有十多年的歷史。

當(dāng)新電池釋放能量時(shí)，鈉金屬會(huì)產(chǎn)生鈉離子和電子。另一方面，電子將碘轉(zhuǎn)化為碘離子。鈉離子穿過(guò)分離器到達(dá)另一側(cè)，在那里它們與碘離子反應(yīng)形成熔融碘化鈉鹽。電池的中間不是硫酸電解液，而是一個(gè)特殊的陶瓷隔板，只允許鈉離子從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)。

“在我們的系統(tǒng)中，與鋰離子電池不同，兩側(cè)的一切都是液體，”斯波爾克說(shuō)。“這意味著我們不必處理經(jīng)歷復(fù)雜相變或分解的材料等問(wèn)題；它都是液體?；旧?，這些液體電池不像許多其他電池那樣具有有限的壽命。”

事實(shí)上，商用熔融鈉電池的使用壽命為10至15年，明顯長(zhǎng)于標(biāo)準(zhǔn)鉛酸電池或鋰離子電池。

更安全的長(zhǎng)效電池

Sandia 的小型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模碘化鈉電池在烤箱中進(jìn)行了八個(gè)月的測(cè)試。Martha Gross 是一名博士后研究員，過(guò)去兩年一直從事實(shí)驗(yàn)室測(cè)試工作，在這八個(gè)月內(nèi)對(duì)電池進(jìn)行了400多次充電和放電實(shí)驗(yàn)。

研究人員在工作

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員 Leo Small（右后）和 Erik Spoerke（左后）觀察 Martha Gross（前）在他們實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的碘化鈉電池上的氬手套箱中工作。這種新型熔融鈉電池可能被證明是一種用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的低溫、低成本電池。圖片來(lái)源：Randy Montoya/桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室

她說(shuō)，由于 COVID-19 大流行，他們不得不暫停實(shí)驗(yàn)一個(gè)月，讓熔融鈉和陰極電解液冷卻至室溫并凍結(jié)。Gross 很高興在加熱電池后，它仍然可以工作。

這意味著，如果發(fā)生大規(guī)模的能源中斷，就像2月份在德克薩斯州發(fā)生的那樣，可以使用碘化鈉電池，然后讓其冷卻直至凍結(jié)。Spoerke 補(bǔ)充說(shuō)，一旦中斷結(jié)束，它們就可以預(yù)熱、充電并恢復(fù)正常運(yùn)行，而無(wú)需漫長(zhǎng)或昂貴的啟動(dòng)過(guò)程，也不會(huì)降低電池的內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)。

碘化鈉電池也更安全。Spoerke 說(shuō)：“當(dāng)電池內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，鋰離子電池會(huì)著火，導(dǎo)致電池失控過(guò)熱。我們已經(jīng)證明，我們的電池化學(xué)不會(huì)發(fā)生這種情況。我們的電池，如果你拿陶瓷分離器取出，讓金屬鈉與鹽混合，什么也沒有發(fā)生。當(dāng)然，電池停止工作，但沒有劇烈的化學(xué)反應(yīng)或火災(zāi)。”

斯莫爾補(bǔ)充說(shuō)，如果外界的火焰吞沒了碘化鈉電池，電池很可能會(huì)破裂并發(fā)生故障，但它不應(yīng)該助長(zhǎng)火勢(shì)或引起鈉火災(zāi)。

此外，在3.6伏特時(shí)，新型碘化鈉電池的工作電壓比商用熔融鈉電池高40%。這種電壓導(dǎo)致更高的能量密度，這意味著用這種化學(xué)物質(zhì)制成的潛在未來(lái)電池將需要更少的電池，電池之間的連接更少，并且存儲(chǔ)相同電量的整體單位成本更低，斯莫爾說(shuō)。

格羅斯補(bǔ)充說(shuō)：“由于我們?cè)诒疚闹袌?bào)告了新的陰極電解液，我們對(duì)可能將多少能量塞入系統(tǒng)感到非常興奮。” “熔融鈉電池已經(jīng)存在了幾十年，它們遍布全球，但從來(lái)沒有人談?wù)撨^(guò)它們。因此，能夠降低溫度并返回一些數(shù)字并說(shuō)，'這真的，真的可行的系統(tǒng)'非常整潔。”

鈉碘電池的未來(lái)

Small 說(shuō)，鈉碘電池項(xiàng)目的下一步是繼續(xù)調(diào)整和改進(jìn)陰極電解液的化學(xué)成分，以取代氯化鎵成分。氯化鎵非常昂貴，比食鹽貴100多倍。

Spoerke 補(bǔ)充說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)還在進(jìn)行各種工程調(diào)整，以使電池更快、更充分地充電和放電。先前確定的一種加速電池充電的改進(jìn)是在陶瓷隔板的熔融鈉側(cè)涂上一層薄薄的錫。

Spoerke 補(bǔ)充說(shuō)，將碘化鈉電池推向市場(chǎng)可能需要5到10年的時(shí)間，剩下的大部分挑戰(zhàn)是商業(yè)化挑戰(zhàn)，而不是技術(shù)挑戰(zhàn)。

“這是低溫熔融鈉電池長(zhǎng)期穩(wěn)定循環(huán)的首次示范，”Spoerke 說(shuō)。“我們組合在一起的神奇之處在于，我們已經(jīng)確定了鹽化學(xué)和電化學(xué)，使我們能夠在230 華氏度下有效運(yùn)行。這種低溫碘化鈉配置是對(duì)它意味著什么的一種重新發(fā)明熔融鈉電池。”

新鈉電池的開發(fā)得到了能源部電力儲(chǔ)能項(xiàng)目辦公室的支持。 

原標(biāo)題：新型熔融鈉電池可能是電網(wǎng)削峰填谷的未來(lái)電池