​桑迪亚实验室开发出可以在更冷环境下工作的熔融钠电池

桑迪亚国家实验室的研究人员为电网规模的能源储存设计了一类新的熔融钠电池。今天发表在科学杂志《细胞报告物理科学》上的一篇论文中分享了新的电池设计。

熔融钠电池已被用于储存来自可再生资源的能量多年，如太阳能电池板和风力涡轮机。然而，商业上可用的熔融钠电池，称为钠硫电池，通常在华氏520-660度下运行。桑迪亚的新熔融钠碘电池则在更冷的230华氏度下运行。

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到物理上可能的最低点。随着电池温度的降低，会有一连串的成本节约。你可以使用更昂贵的材料。电池需要更少的绝缘材料，连接所有电池的线路可以薄很多。"

然而，他补充说，在550度下工作的电池化学成分在230度下并不工作。允许这种较低工作温度的主要创新之一是开发了他称之为阴离子的东西。阴离子是两种盐的液体混合物，在这种情况下是碘化钠和氯化镓。

建造更好的电池的基础知识

一个基本的铅酸电池，通常用作汽车点火电池，有一个铅板和一个二氧化铅板，中间是硫酸电解质。当能量从电池中放出时，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到电池的另一侧，在那里，二氧化铅板利用电子和硫酸形成硫酸铅和水。在新的熔融钠电池中，铅板被液态金属钠取代，而二氧化铅板被碘化钠和少量氯化镓的液体混合物取代。

当能量从新电池中放出时，金属钠产生钠离子和电子。在另一边，电子将碘变成碘化物离子。钠离子穿过分离器移动到另一侧，在那里与碘离子反应，形成熔化的碘化钠盐。电池的中间是一个特殊的陶瓷分离器，而不是硫酸电解质，它只允许钠离子从一侧移动到另一侧，没有其他东西。

"在我们的系统中，与锂离子电池不同，所有的东西在两边都是液体，这意味着我们不需要处理材料发生复杂的相变或分崩离析等问题，它都是液体。基本上，这些基于液体的电池不像许多其他电池那样具有有限的寿命。"Spoerke说。

事实上，商用熔融钠电池的寿命为10至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

桑迪亚的小型实验室规模的碘化钠电池在一个烤箱内进行了八个月的测试。过去两年从事实验室测试的博士后研究员MarthaGross在这八个月中对电池进行了400多次充电和放电的实验。

桑迪亚国家实验室研究人员LeoSmall（后排右）和ErikSpoerke（后排左）在观察，前排的MarthaGross在氩气手套箱中为他们的实验室规模的碘化钠电池工作。这种新的熔融钠电池可能被证明是一种用于电网规模储能的温度较低、成本较低的电池。来源：兰迪-蒙托亚/桑迪亚国家实验室

她说，由于新冠肺炎的大流行，他们不得不暂停实验一个月，让熔融钠和电解质冷却到室温并冻结。格罗斯很高兴，在将电池升温后，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。一旦中断结束，它们就可以升温、充电并恢复正常运行，不需要漫长或昂贵的启动过程，也不会使电池的内部化学成分退化。

碘化钠电池也更安全。Spoerke说："当电池内部出现故障时，锂离子电池就会起火，导致电池过热失控。我们已经证明，我们的电池化学特性不会发生这种情况。我们的电池，如果你把陶瓷分离器拿出来，让金属钠与盐类混合，什么也不会发生。当然，电池会停止工作，但不会有激烈的化学反应或火灾。”

Small补充说，如果外部火灾吞噬了钠碘电池，电池很可能会破裂和失效，但它不应该给火灾添加燃料或引起钠的火灾。

此外，在3.6伏的电压下，新的碘化钠电池的工作电压比商用熔融钠电池高40%。这种电压导致了更高的能量密度，这意味着未来用这种化学成分制造的潜在电池将需要更少的电池，电池之间的连接更少，并且整体上更低的单位成本来存储相同数量的电力。

格罗斯补充说："由于我们在这篇论文中报告了新的电解质，我们对我们能够在系统中潜在地塞进多少能量感到非常兴奋。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，能够降低温度并带回一些数字，并说'这是一个非常、非常可行的系统'是非常棒的。"

碘化钠电池的未来

Small说碘化钠电池项目的下一步是继续调整和完善阴离子化学，以取代氯化镓成分。氯化镓非常昂贵，是食盐的100多倍。

目前该团队还在进行各种工程调整，以使电池能够更快更充分地充电和放电。之前确定的一项加快电池充电速度的修改是在陶瓷分离器的熔融钠一侧涂上一层薄薄的锡。

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

Spoerke说："这是第一次展示低温熔融钠电池的长期、稳定循环。我们所做的事情的神奇之处在于，我们已经确定了盐的化学和电化学，使我们能够在230华氏度下有效地运行。这种低温钠-碘配置有点像对熔融钠电池的意义的重塑。"