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鈉硫電池

由熔融金屬鈉(Na)、液態硫(S)和多硫化鈉熔鹽構成的熔鹽電池。

簡史

鈉硫電池最早發明于20世紀60年代中期,早期研究主要集中于電動汽車應用目標,如美國福特公司、日本YUASA等均先后組裝鈉硫電池電動汽車,并進行了長期路試。后因鈉硫電池高比功率以及高比容量、低的原材料成本和制造成本、高溫度穩定性以及無自放電等優勢,鈉硫電池的應用逐步偏向于儲能電池方面。日本NGK公司是鈉硫儲能電池研制發展的標志性機構。80年代中期,日本NGK公司與日本東京電力公司合作,并于1992年完成第一個鈉硫電池儲能系統。2002年NGK公司在美國進行鈉硫電池儲能站示范運行。2003年NGK開始鈉硫電池大規模商業化,產量達到30兆瓦。2004年7月,當時世界上最大的鈉硫電池儲能站(9.6兆瓦/57.6兆瓦·時)在日本正式投入運營,電站商業化示范運行的能量效率高達80%。

特點

優點包括:①比能量高,理論值為760瓦·時/千克;②開路電壓高,350℃為2.076伏;③充放電電流密度高,放電一般可達200~300毫安/厘米2,充電則減半;④充放電效率高,電流效率接近100%。鈉硫電池主要缺點就是對溫度的需求比較苛刻,一般工作溫度需要在300~350℃。

鈉硫電池結構圖


原理

在工作溫度下鈉硫電池放電時,鈉離子(Na+)穿過固體電解質β-Al2O3并與S2-結合生成多硫化鈉產物,反應方程式如下:

?負極:image.png

?正極:?image.png

?電池總反應式:?image.png

?其充電反應與放電過程相反。在鈉硫電池體系中,金屬鈉與硫之間發生反應能生成多種反應產物,即從Na2S到Na2S5的多硫化物。由于鈉與硫之間反應劇烈,因此兩種反應物之間必須用固體電解質隔開,同時又必須是鈉離子導體。所用電解質材料為Na-β-氧化鋁,只有溫度在300℃以上時,Na-β-氧化鋁才具有良好的導電性。室溫下難以工作,主要是因為金屬鈉、硫以及多硫化物在室溫下均以固態形式存在時,導致電池的電阻率很大,電池中的離子無法進行傳導。

應用

鈉硫電池廣泛應用于電力儲能中削峰填谷、應急電源、風力發電等儲能方面,例如日本的八角島的一座400千瓦的鈉硫電池儲能系統與500千瓦的風力發電系統配套,保證了風力發電完全平穩的電力輸出。此外,鈉硫電池還可用于工業、電力、供水、商業、學校和醫院等各個領域和部門。

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