熔盐电池

熔盐电池是一类使用熔盐作为电解质的电池，同时提供高能量密度和高功率密度。传统的不可充电热电池可以在室温下以固态储存很长时间，然后通过加热激活。可充电液态金属电池用于工业备用电源、特种电动汽车和电网储能，以平衡太阳能电池板和风力涡轮机等间歇性可再生能源。

自1960年代中期以来，已对使用钠(Na)作为负极的可充电电池进行了大量开发工作。钠因其-2.71伏的高还原电位、低重量、相对丰富和低成本而具有吸引力。为了制造实用的电池，钠必须呈液态。钠的熔点为98°C(208°F)。这意味着钠基电池的工作温度为245至350°C（470至660°F）。研究调查了工作温度为200°C(390°F)和室温的金属组合。

钠硫电池（NaS电池）以及相关的锂硫电池采用廉价且丰富的电极材料。这是xxx个碱金属商用电池。它使用液态硫作为正极和β-氧化铝固体电解质（BASE）的陶瓷管。绝缘体腐蚀是一个问题，因为它们逐渐变得导电，并且自放电率增加。由于其高比功率，NaS电池已被提议用于空间应用。1997年，航天飞机任务STS-87成功测试了一种用于太空的NaS电池，但这些电池尚未在太空中投入使用。NaS电池已被提议用于金星的高温环境。由TEPCO（东京电力公司）和NGK（NGKInsulatorsLtd.）组成的财团于1983年宣布有兴趣研究NaS电池，并从此成为开发这种类型的主要驱动力。TEPCO选择了NaS电池，因为它的所有组成元素（钠、硫和陶瓷）在日本都很丰富。xxx次大规模现场测试于1993年至1996年在东京电力公司的纲岛变电站进行，使用3×2MW、6.6kV电池组。根据该试验的结果，开发了改进的电池模块，并于2000年投入市场。商业NaS电池组提供：

• 容量：每组25–250kWh
• 效率87%
• xxx放电深度(DOD)下2,500次循环的使用寿命，或80%DOD下4,500次循环的使用寿命

熔盐电池的低温变体是1985年开发的ZEBRA（最初是非洲沸石电池研究；后来是零排放电池研究活动）电池，最初是为电动汽车应用而开发的。该电池使用NaAlCl4和Na+-β-氧化铝陶瓷电解质。Na-NiCl2电池的工作温度为245°C(473°F)，并使用熔点为157°C(315°F)的熔融四氯铝酸钠(NaAlCl4)作为电解质。负极是熔融钠。正极是放电状态的镍和充电状态的氯化镍。由于镍和氯化镍几乎不溶于中性和碱性熔体，因此允许接触，对电荷转移提供的阻力很小。由于NaAlCl4和Na在工作温度下都是液体，因此使用钠传导β-氧化铝陶瓷将液态钠与熔融NaAlCl4分离。用于制造这些电池的主要元素在全球范围内的储量和年产量远高于锂。它是由位于南非比勒陀利亚的科学与工业研究委员会(CSIR)的沸石电池研究非洲项目(ZEBRA)小组于1985年发明的。它可以在放电状态下组装，使用NaCl、Al、镍和铁粉。正极主要由固态材料组成，降低了腐蚀的可能性，提高了安全性。其比能量为100Wh/kg；比功率为150W/kg。β-氧化铝固体陶瓷对金属钠和氯化铝钠不反应。全尺寸电池的使用寿命超过2,000次循环和20年，10节和20节电池模块的使用寿命超过4,500次循环和15年。相比之下，磷酸铁锂锂电池存储90-110Wh/kg，更常见的LiCoO2锂离子电池存储150-200Wh/kg。ZEBRA的液体电解质在157°C(315°F)时结冰，正常工作温度范围为270–350°C(520–660°F)。向电池中添加铁会增加其功率响应。ZEBRA电池目前由FZSoNick制造，用作电信行业、石油和天然气和铁路的备用电源。它还用于采矿中使用的特殊电动汽车。过去，它被应用于ModecElectricVan、依维柯Daily3.5吨送货车、SmartED原型和Th!nkCity。2011年，美国邮政服务开始测试全电动送货车，其中一辆由ZEBRA电池供电。2010年，通用电气宣布推出一种Na-NiCl2电池，称为钠金属卤化物电池，使用寿命为20年。其阴极结构由导电镍网络、熔盐电解质、金属集电器、碳毡电解质储存器和活性钠-金属卤化物盐组成。2015年，由于全球重组，公司放弃了该项目。2017年，中国电池制造商超威集团（也称为超威）与通用电气(GE)成立了一家新公司，将用于工业和储能应用的Na-NiCl电池推向市场。不使用时，Na-NiCl2电池通常保持熔融状态以备使用，因为如果允许固化，它们通常需要12小时重新加热和充电。此再加热时间取决于电池组温度和可用于再加热的功率。关机后，充满电的电池组会失去足够的能量来冷却并在5到7天内固化。金属氯化钠电池非常安全；只有刺穿电池才能激活热失控，而且在这种不太可能发生的情况下，不会产生火灾或爆炸。出于这个原因，并且还可以在没有冷却系统的情况下安装在室外，使钠金属氯化物电池非常适合工业和商业储能装置。Sumitomo研究了一种使用盐的电池，该盐在61°C(142°F)下熔化，远低于钠基电池，并在90°C(194°F)下运行。它提供高达290Wh/L和224Wh/kg的能量密度和1C的充电/放电速率，使用寿命为100-1000次充电循环。电池仅使用不易燃材料，既不会在与空气接触时点燃，也不会有热失控的风险。这消除了废热存储或防火防爆设备，并允许更紧密的电池包装。该公司声称，这种电池需要锂离子电池的一半体积和钠硫电池的四分之一。该电池使用镍阴极和玻璃碳阳极。2014年，研究人员发现了一种液态钠铯合金，可在50°C(122°F)下工作，每克产生420毫安时。新材料能够完全覆盖或润湿电解质。在100次充电/放电循环后，测试电池保持了大约97%的初始存储容量。较低的工作温度允许使用成本较低的聚合物外壳代替钢，从而抵消了铯的一些增加成本。瑞士迈林根的Innovenergy通过使用国内采购的原材料（镍粉成分除外）进一步优化了这项技术。尽管与锂离子电池相比容量有所降低，但ZEBRA技术适用于太阳能的固定储能。2022年，该公司在购物中心屋顶运营了一个540千瓦时的太阳能电池存储设施，目前每年使用可持续的无毒材料（食盐）生产超过100万个电池单元。

麻省理工学院的DonaldSadoway教授开创了液态金属可充电电池的研究，使用了镁锑和最近的铅锑。电极层和电解质层被加热直到它们变成液体并且由于密度和不混溶性而自分离。这种电池的寿命可能比传统电池更长，因为电极在充电-放电循环期间会经历一个产生和破坏的循环，这使得它们不受传统电池电极退化的影响。该技术于2009年提出，基于通过熔盐分离的镁和锑。选择镁作为负极是因为它成本低且在熔盐电解质中的溶解度低。锑因其低成本和较高的预期放电电压而被选为正极。2011年，研究人员展示了一种具有锂阳极和铅锑阴极的电池，该电池具有更高的离子电导率和更低的熔点（350-430°C）。Li化学的缺点是成本较高。在450°C下工作的具有约0.9V开路电位的Li/LiF+LiCl+LiI/Pb-Sb电池的电活性材料成本为100美元/kWh和100美元/kW，预计使用寿命为25年。其在1.1A/cm2时的放电功率仅为44%（在0.14A/cm2时为88%）。实验数据显示存储效率为69%，具有良好的存储容量（超过1000mAh/cm2）、低泄漏（<1mA/cm2）和高xxx放电容量（超过200mA/cm2）。到2014年10月，麻省理工学院的团队在高充电/放电速率(275mA/cm2)下实现了大约70%的运行效率，类似于抽水蓄能水力发电和在较低电流下的更高效率。测试表明，在正常使用10年后，该系统将保留大约85%的初始容量。2014年9月，一项研究描述了一种使用铅和锑的熔融合金作为正极、液态锂作为负极的装置；以及作为电解质的锂盐的熔融混合物。最近的一项创新是PbBi合金，它可以实现更低熔点的锂基电池。它使用基于LiCl-LiI的熔盐电解质，工作温度为410°C。离子液体已被证明具有用于可充电电池的能力。电解液为纯熔盐，不添加溶剂，通过使用具有室温液相的盐来实现。这会导致高粘度溶液，并且通常由具有可延展晶格结构的结构大盐制成。

热电池使用在环境温度下为固体且不活泼的电解质。它们可以无限期地存储（超过50年），但在需要时可立即提供全功率。一旦被激活，它们会在短时间内（几十秒到60分钟或更长时间）提供一阵高功率，输出功率从瓦特到千瓦不等。高功率是由于熔盐的高离子电导率（导致低内阻），比铅酸汽车电池中的硫酸高三个数量级（或更多）。一种设计使用引信条（在陶瓷纸中包含铬酸钡和金属锆粉）沿着热丸的边缘启动电化学反应。引信条通常由用电流激活的电点火器或引爆管点火。另一种设计在电池堆中间使用了一个中心孔，高能电点火器将热气体和白炽粒子的混合物射入其中。这允许比边缘条设计的数百毫秒更短的激活时间（几十毫秒）。电池激活可以通过类似于霰弹枪弹的敲击底漆来完成。热源应该是无气的。标准热源通常由重量比为88/12、86/14或84/16的铁粉和高氯酸钾的混合物组成。高氯酸钾水平越高，热量输出越高（标称分别为200、259和297卡/克）。在1980年代，锂合金阳极用铬酸钙、钒或氧化钨的阴极代替了钙或镁阳极。锂-硅合金比早期的锂-铝合金更受青睐。与锂合金阳极一起使用的相应阴极主要是二硫化铁（黄铁矿），由二硫化钴代替，用于高功率应用。电解质通常是氯化锂和氯化钾的低共熔混合物。最近，其他基于溴化锂、溴化钾和氯化锂或氟化锂的低熔点共晶电解质也被用于提供更长的使用寿命；他们也是更好的导体。基于氯化锂、溴化锂和氟化锂（不含钾盐）的所谓全锂电解质，由于其高离子电导率，也用于高功率应用。放射性同位素热发生器，例如90SrTiO4颗粒的形式，可用于在激活后为电池长期输送热量，使其保持熔融状态。