桑迪亚为电网规模的储能设计了更好的电池 可在较低温度下运行

迪亚国家实验室的研究人员设计了一类用于电网规模储能的新型熔融钠电池。发表在科学杂志《细胞报告物理科学》上的一篇论文中分享了新的电池设计。

多年来，熔融钠电池一直用于存储来自太阳能电池板和风力涡轮机等可再生能源的能量。然而，市售的熔融钠电池，称为钠硫电池，通常在520-660华氏度下运行。桑迪亚的新型熔融碘化钠电池在230华氏度的温度下运行。

该项目的首席研究员LeoSmall说，我们一直在努力将熔融钠电池的工作温度降低到尽可能低的水平。随着电池温度的降低，整个级联成本节约。你可以使用更便宜的材料。电池需要更少的绝缘，连接所有电池的电线可以更细。

博士后研究员MarthaGross在带有测试电池的氩手套箱中工作，展示了实验室规模的碘化钠电池。桑迪亚国家实验室研究团队开发了一种新的碘化钠阴极电解液（紫色液体）和一种特殊的陶瓷隔板，使熔融钠电池能够在230华氏度（110摄氏度）下运行。

然而，他补充说，在550度下工作的电池化学物质在230度下不起作用。允许这种较低工作温度的主要创新之一是他所谓的阴极电解液的开发。阴极电解液是两种盐的液体混合物，在这种情况下，碘化钠和氯化镓。

制造更好电池的基础知识

碱性铅酸蓄电池，常用作汽车点火电池，有铅板和二氧化铅板，中间有硫酸电解液。当电池释放能量时，铅板与硫酸反应形成硫酸铅和电子。这些电子启动汽车并返回电池的另一侧，在那里二氧化铅板使用电子和硫酸形成硫酸铅和水。一直在工作的材料科学家ErikSpoerke表示，对于新型熔融钠电池，铅板由液态金属钠代替，二氧化铅板由碘化钠和少量氯化镓的液体混合物代替。在熔融钠电池上已有十多年的历史。

当新电池释放能量时，钠金属会产生钠离子和电子。另一方面，电子将碘转化为碘离子。钠离子穿过分离器到达另一侧，在那里它们与碘离子反应形成熔融碘化钠盐。电池的中间不是硫酸电解液，而是一个特殊的陶瓷隔板，只允许钠离子从一侧移动到另一侧，没有别的。

在我们的系统中，与锂离子电池不同，两侧的一切都是液体，斯波尔克说，这意味着我们不必处理经历复杂相变或分解的材料等问题；它都是液体。基本上，这些液体电池不像许多其他电池那样具有有限的寿命。

事实上，商用熔融钠电池的使用寿命为10-15年，明显长于标准铅酸电池或锂离子电池。

更安全的长效电池

Sandia的小型实验室规模碘化钠电池在烤箱中进行了八个月的测试。MarthaGross是一名博士后研究员，过去两年一直从事实验室测试工作，在这八个月内对电池进行了400多次充电和放电实验。

她说，由于冠状病毒大流行，他们不得不暂停实验一个月，让熔融钠和阴极电解液冷却至室温并冻结。Gross很高兴在加热电池后，它仍然可以工作。

这意味着，如果发生大规模的能源中断，就像2月份在德克萨斯州发生的那样，可以使用碘化钠电池，然后让其冷却直至冻结。Spoerke补充说，一旦中断结束，它们就可以预热、充电并恢复正常运行，而无需漫长或昂贵的启动过程，也不会降低电池的内部化学性质。

碘化钠电池也更安全。Spoerke说，当电池内部出现故障时，锂离子电池会着火，导致电池失控过热。我们已经证明，我们的电池化学不会发生这种情况。我们的电池，如果你拿陶瓷分离器取出，让金属钠与盐混合，什么也没有发生。当然，电池停止工作，但没有剧烈的化学反应或火灾。

斯莫尔补充说，如果外界的火焰吞没了碘化钠电池，电池很可能会破裂并发生故障，但它不应该助长火势或引起钠火灾。

此外，在3.6伏特时，新型碘化钠电池的工作电压比商用熔融钠电池高40%。这种电压导致更高的能量密度，这意味着用这种化学物质制成的潜在未来电池将需要更少的电池，电池之间的连接更少，并且存储相同电量的整体单位成本更低，斯莫尔说。

格罗斯补充说，由于我们在本文中报告了新的阴极电解液，我们对可能将多少能量塞入系统感到非常兴奋。熔融钠电池已经存在了几十年，它们遍布全球，但从来没有人谈论过它们。因此，能够降低温度并返回一些数字并说，'这真的，真的可行的系统'非常整洁。

钠碘电池的未来

Small说，钠碘电池项目的下一步是继续调整和改进阴极电解液的化学成分，以取代氯化镓成分。氯化镓非常昂贵，比食盐贵100多倍。

Spoerke补充说，该团队还在进行各种工程调整，以使电池更快、更充分地充电和放电。先前确定的一种加速电池充电的改进是在陶瓷隔板的熔融钠侧涂上一层薄薄的锡。

Spoerke补充说，将碘化钠电池推向市场可能需要5到10年的时间，剩下的大部分挑战是商业化挑战，而不是技术挑战。

这是低温熔融钠电池长期稳定循环的首次示范，Spoerke说，我们组合在一起的神奇之处在于，我们已经确定了盐化学和电化学，使我们能够在230华氏度下有效运行。这种低温碘化钠配置是对它意味着什么的一种重新发明熔融钠电池。

新钠电池的开发得到了能源部电力储能项目办公室的支持。