钠硫电池

钠硫电池是一种由液态钠(Na)和硫(S)构成的熔盐电池。该类电池能量密度高（能量密度是铅酸电池的5倍），充放电效率高，循环寿命长（>1000次），采用廉价无毒材料制造.300至350°C的工作温度和多硫化钠的高腐蚀性，主要使其适用于固定式储能应用。随着尺寸的增加，电池变得更经济。市售电池通常体积大且容量高（高达500Ah）。这是因为较大的电池以比较小的电池更慢的速度冷却，从而可以保持较高的工作温度。

与阳极、阴极和膜均为液体的液态金属电池相比，典型的电池在阳极和阴极之间具有固体电解质膜。电池通常制成圆柱形。整个电池由钢制外壳封闭，通常由铬和钼保护，以免内部腐蚀。这个外部容器用作正极，而液态钠用作负极。容器顶部用密封的氧化铝盖密封。电池的一个重要部分是存在选择性地传导Na+的BASE（β-氧化铝固体电解质）膜。在商业应用中，为了更好地保温，电池被布置成块状，并被封装在真空绝缘盒中。

在放电阶段，核心处的熔融元素钠充当阳极，这意味着钠将电子提供给外部电路。钠通过β-氧化铝固体电解质(BASE)圆柱体与熔融硫磺容器分离，该容器由用作阴极的惰性金属制成。硫被碳海绵吸收。BASE在250°C以上时钠离子的良导体，但电子的不良导体，因此可避免自放电。金属钠在低于400°C时不会完全润湿BASE，因为有一层氧化物将它们分开；通过在BASE上涂上某些金属和/或向钠中添加吸氧剂，可以将该温度降低到300°C，但即使这样，润湿也会在200°C以下失败。在电池开始运行之前，必须对其进行加热，这会产生额外的成本。为了应对这一挑战，将钠硫电池与太阳能热系统耦合的案例研究。从太阳收集的热能将用于预热电池并在使用之间的短时间内保持高温。一旦运行，当钠放出一个电子时，Na+离子会迁移到硫容器中。电子驱动电流通过熔融钠到达触点，通过电负载并返回硫容器。在这里，另一个电子与硫反应形成Sn2-，即多硫化钠。放电过程可以表示如下：2Na+4S→Na2S4(Ecell~2V)随着电池放电，钠含量下降。在充电阶段，发生相反的过程。室温钠硫电池传统钠硫电池的主要缺点之一是它们需要高温才能运行。这意味着它们必须在使用前进行预热，并且在不使用时它们会消耗一些存储的能量（高达14%）以保持此温度。除了节省能源外，室温操作还可以缓解安全问题，例如在高温操作过程中由于固体电解质失效而可能发生的爆炸。可以在室温下运行的钠硫电池的研究和开发正在进行中。尽管与高温相比，钠硫电池在室温下的理论能量密度更高，但在室温下运行会带来以下挑战：-硫和多硫化钠的导电性差-硫的体积膨胀，在电池内产生机械应力-钠和硫之间的低反应速率-在钠阳极上形成枝晶，导致电池短路。这是由下文解释的穿梭效应促成的。-更短的循环寿命，这意味着电池必须比高温电池更频繁地更换。穿梭机效果：钠硫电池中的穿梭效应会导致容量损失，这可以定义为可从电池中提取的能量减少。当电池放电时，钠离子在阴极与硫（呈S8形式）发生反应，形成多硫化物，步骤如下：a)钠离子与S8反应生成Na2S8，可溶于电解液。b)Na2S8与钠离子进一步反应生成Na2S4，它也是电解质可溶的c)Na2S4与钠离子进一步反应生成不溶的Na2S2。d)Na2S4与钠离子进一步反应生成不溶性的Na2S当可溶性多硫化物形式迁移到阳极时，就会出现问题，在那里它们会形成不溶性多硫化物。这些不溶性多硫化物在阳极上形成枝晶，会损坏电池并干扰钠离子进入电解质的运动。此外，当电池充电时，阳极上的不溶性多硫化物不能再转化为硫，这意味着电池可以使用的硫更少（容量损失）。正在研究如何避免穿梭效应。

纯钠存在危险，因为它与空气和湿气接触会自发燃烧，因此必须保护系统免受水和氧化性气氛的影响。

2011年9月21日清晨，由NGK制造的2000千瓦的NaS电池系统起火，该系统由东京电力公司拥有，用于储存电力并安装在日本三菱材料公司筑波工厂。事件发生后，NGK暂时停止了NaS电池的生产。

福特汽车公司在1960年代率先使用电池为早期型号的电动汽车提供动力。截至2009年，Ceramatec在犹他州开发了一种温度较低的固体电极版本。他们使用NASICON膜允许在90°C下操作，所有组件都保持固态。2014年，研究人员发现了一种液态钠铯合金，可在150°C下工作，每克产生420毫安时。该材料完全涂覆（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较便宜的聚合物外壳代替钢，从而抵消了与使用铯相关的一些增加的成本。

NaS电池是1980年作为月光项目的一部分被MITI选为深入研究候选的四种电池类型之一。该项目旨在开发一种耐用的公用电力存储设备，满足以下10年项目的标准。

• 1,000千瓦级
• 额定负载下充电8小时/放电8小时
• 效率为70%或更高
• 1,500次循环或更好的使用寿命

其他三个是改进的铅酸、氧化还原流动（钒型）和溴化锌电池。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年间在东京电力的Tsunashima变电站进行，使用3x2MW、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

日本风电开发公司的日本三浦风电场的一个示范项目使用了NaS电池。JapanWindDevelopment于2008年5月在青森县的二俣市开设了一个51兆瓦的风电场，其中包含一个34兆瓦的钠硫电池系统。截至2007年，日本安装了165兆瓦的容量。NGK在2008年宣布了一项计划，将其NaS工厂的产量从每年90兆瓦扩大到每年150兆瓦。2010年，XcelEnergy宣布将测试基于20个50kW钠硫电池的风电场储能电池。该80吨、2个半挂车大小的电池预计在1MW的充电和放电速率下具有7.2MW·h的容量。从那时起，NGK宣布了几项大规模部署，包括在2019年分布在阿联酋10个地点的虚拟工厂，总计108兆瓦/648兆瓦时。2011年3月，住友电工和京都大学宣布，他们开发了一种低温熔融钠离子电池，可以在100℃以下输出电力。这种电池的能量密度是锂离子电池的两倍，成本也xxx降低。住友电工代表松本正佳表示，公司计划于2015年开始生产。最初的应用预计是建筑物和公共汽车。

绝缘体的腐蚀在恶劣的化学环境中成为一个问题，因为它们逐渐变得导电并且自放电率增加。树突状钠生长也可能是一个问题。

钠硫电池可用于支持电网，或用于独立的可再生能源应用。在某些市场条件下，NaS电池通过能源套利（在电力充足/便宜时为电池充电，在电力更有价值时向电网放电）和电压调节来提供价值。NaS电池是一种可能的储能技术，可支持可再生能源发电，特别是风电场和太阳能发电厂。在风电场的情况下，电池将在风力大但电力需求低的时候储存能量。然后可以在峰值负载期间从电池中释放这种存储的能量。除了这种电力转移之外，钠硫电池还可用于帮助稳定风电场在风力波动期间的电力输出。这些类型的电池提供了在其他存储选项不可行的地方进行能量存储的选择。例如，抽水蓄能水电设施需要大量空间和水资源，而压缩空气储能(CAES)需要某种地质特征，例如盐洞。2016年，三菱电机公司在日本福冈县委托世界上xxx的钠硫电池。该设施提供能量存储，以帮助管理可再生能源高峰期的能量水平。

由于其高能量密度，NaS电池已被提议用于空间应用。钠硫电池可以制成符合太空要求的：实际上，在航天飞机上飞行了一个测试钠硫电池。NaS飞行实验展示了比能量为150W·h/kg（3x镍氢电池能量密度）的电池，工作温度为350°C。它于1997年11月在STS-87任务中发射，并展示了10天的实验运行。金星陆地航行漫游者任务概念也在考虑使用这种类型的电池，因为漫游者及其有效载荷被设计为在没有冷却系统的情况下在金星的热表面上运行约50天。

钠硫电池的首次大规模使用是在1991年的电动汽车原型福特Ecostar示范车上。然而，钠硫电池的高工作温度给电动汽车的使用带来了困难。Ecostar从未投入生产。