迪亞國家實驗室的研究人員設計了一類用于電網規模儲能的新型熔融鈉電池。發表在科學雜志《細胞報告物理科學》上的一篇論文中分享了新的電池設計。

多年來，熔融鈉電池一直用于存儲來自太陽能電池板和風力渦輪機等可再生能源的能量。然而，市售的熔融鈉電池，稱為鈉硫電池，通常在520-660華氏度下運行。桑迪亞的新型熔融碘化鈉電池在230華氏度的溫度下運行。

該項目的首席研究員LeoSmall說，我們一直在努力將熔融鈉電池的工作溫度降低到盡可能低的水平。隨著電池溫度的降低，整個級聯成本節約。你可以使用更便宜的材料。電池需要更少的絕緣，連接所有電池的電線可以更細。

博士后研究員MarthaGross在帶有測試電池的氬手套箱中工作，展示了實驗室規模的碘化鈉電池。桑迪亞國家實驗室研究團隊開發了一種新的碘化鈉陰極電解液（紫色液體）和一種特殊的陶瓷隔板，使熔融鈉電池能夠在230華氏度（110攝氏度）下運行。

然而，他補充說，在550度下工作的電池化學物質在230度下不起作用。允許這種較低工作溫度的主要創新之一是他所謂的陰極電解液的開發。陰極電解液是兩種鹽的液體混合物，在這種情況下，碘化鈉和氯化鎵。

制造更好電池的基礎知識

堿性鉛酸蓄電池，常用作汽車點火電池，有鉛板和二氧化鉛板，中間有硫酸電解液。當電池釋放能量時，鉛板與硫酸反應形成硫酸鉛和電子。這些電子啟動汽車并返回電池的另一側，在那里二氧化鉛板使用電子和硫酸形成硫酸鉛和水。一直在工作的材料科學家ErikSpoerke表示，對于新型熔融鈉電池，鉛板由液態金屬鈉代替，二氧化鉛板由碘化鈉和少量氯化鎵的液體混合物代替。在熔融鈉電池上已有十多年的歷史。

當新電池釋放能量時，鈉金屬會產生鈉離子和電子。另一方面，電子將碘轉化為碘離子。鈉離子穿過分離器到達另一側，在那里它們與碘離子反應形成熔融碘化鈉鹽。電池的中間不是硫酸電解液，而是一個特殊的陶瓷隔板，只允許鈉離子從一側移動到另一側，沒有別的。

在我們的系統中，與鋰離子電池不同，兩側的一切都是液體，斯波爾克說，這意味著我們不必處理經歷復雜相變或分解的材料等問題；它都是液體。基本上，這些液體電池不像許多其他電池那樣具有有限的壽命。

事實上，商用熔融鈉電池的使用壽命為10-15年，明顯長于標準鉛酸電池或鋰離子電池。

更安全的長效電池

Sandia的小型實驗室規模碘化鈉電池在烤箱中進行了八個月的測試。MarthaGross是一名博士后研究員，過去兩年一直從事實驗室測試工作，在這八個月內對電池進行了400多次充電和放電實驗。

她說，由于冠狀病毒大流行，他們不得不暫停實驗一個月，讓熔融鈉和陰極電解液冷卻至室溫并凍結。Gross很高興在加熱電池后，它仍然可以工作。

這意味著，如果發生大規模的能源中斷，就像2月份在德克薩斯州發生的那樣，可以使用碘化鈉電池，然后讓其冷卻直至凍結。Spoerke補充說，一旦中斷結束，它們就可以預熱、充電并恢復正常運行，而無需漫長或昂貴的啟動過程，也不會降低電池的內部化學性質。

碘化鈉電池也更安全。Spoerke說，當電池內部出現故障時，鋰離子電池會著火，導致電池失控過熱。我們已經證明，我們的電池化學不會發生這種情況。我們的電池，如果你拿陶瓷分離器取出，讓金屬鈉與鹽混合，什么也沒有發生。當然，電池停止工作，但沒有劇烈的化學反應或火災。

斯莫爾補充說，如果外界的火焰吞沒了碘化鈉電池，電池很可能會破裂并發生故障，但它不應該助長火勢或引起鈉火災。

此外，在3.6伏特時，新型碘化鈉電池的工作電壓比商用熔融鈉電池高40%。這種電壓導致更高的能量密度，這意味著用這種化學物質制成的潛在未來電池將需要更少的電池，電池之間的連接更少，并且存儲相同電量的整體單位成本更低，斯莫爾說。

格羅斯補充說，由于我們在本文中報告了新的陰極電解液，我們對可能將多少能量塞入系統感到非常興奮。熔融鈉電池已經存在了幾十年，它們遍布全球，但從來沒有人談論過它們。因此，能夠降低溫度并返回一些數字并說，'這真的，真的可行的系統'非常整潔。

鈉碘電池的未來

Small說，鈉碘電池項目的下一步是繼續調整和改進陰極電解液的化學成分，以取代氯化鎵成分。氯化鎵非常昂貴，比食鹽貴100多倍。

Spoerke補充說，該團隊還在進行各種工程調整，以使電池更快、更充分地充電和放電。先前確定的一種加速電池充電的改進是在陶瓷隔板的熔融鈉側涂上一層薄薄的錫。

Spoerke補充說，將碘化鈉電池推向市場可能需要5到10年的時間，剩下的大部分挑戰是商業化挑戰，而不是技術挑戰。

這是低溫熔融鈉電池長期穩定循環的首次示范，Spoerke說，我們組合在一起的神奇之處在于，我們已經確定了鹽化學和電化學，使我們能夠在230華氏度下有效運行。這種低溫碘化鈉配置是對它意味著什么的一種重新發明熔融鈉電池。

新鈉電池的開發得到了能源部電力儲能項目辦公室的支持。