桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的研究人員為電網(wǎng)規(guī)模的能源儲(chǔ)存設(shè)計(jì)了一類新的熔融鈉電池。今天發(fā)表在科學(xué)雜志《細(xì)胞報(bào)告物理科學(xué)》上的一篇論文中分享了新的電池設(shè)計(jì)。

熔融鈉電池已被用于儲(chǔ)存來自可再生資源的能量多年，如太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機(jī)。然而，商業(yè)上可用的熔融鈉電池，稱為鈉硫電池，通常在華氏520-660度下運(yùn)行。桑迪亞的新熔融鈉碘電池則在更冷的230華氏度下運(yùn)行。

該項(xiàng)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到物理上可能的最低點(diǎn)。隨著電池溫度的降低，會(huì)有一連串的成本節(jié)約。你可以使用更昂貴的材料。電池需要更少的絕緣材料，連接所有電池的線路可以薄很多。"

然而，他補(bǔ)充說，在550度下工作的電池化學(xué)成分在230度下并不工作。允許這種較低工作溫度的主要?jiǎng)?chuàng)新之一是開發(fā)了他稱之為陰離子的東西。陰離子是兩種鹽的液體混合物，在這種情況下是碘化鈉和氯化鎵。

建造更好的電池的基礎(chǔ)知識(shí)

一個(gè)基本的鉛酸電池，通常用作汽車點(diǎn)火電池，有一個(gè)鉛板和一個(gè)二氧化鉛板，中間是硫酸電解質(zhì)。當(dāng)能量從電池中放出時(shí)，鉛板與硫酸反應(yīng)，形成硫酸鉛和電子。這些電子啟動(dòng)汽車并返回到電池的另一側(cè)，在那里，二氧化鉛板利用電子和硫酸形成硫酸鉛和水。在新的熔融鈉電池中，鉛板被液態(tài)金屬鈉取代，而二氧化鉛板被碘化鈉和少量氯化鎵的液體混合物取代。

當(dāng)能量從新電池中放出時(shí)，金屬鈉產(chǎn)生鈉離子和電子。在另一邊，電子將碘變成碘化物離子。鈉離子穿過分離器移動(dòng)到另一側(cè)，在那里與碘離子反應(yīng)，形成熔化的碘化鈉鹽。電池的中間是一個(gè)特殊的陶瓷分離器，而不是硫酸電解質(zhì)，它只允許鈉離子從一側(cè)移動(dòng)到另一側(cè)，沒有其他東西。

"在我們的系統(tǒng)中，與鋰離子電池不同，所有的東西在兩邊都是液體，這意味著我們不需要處理材料發(fā)生復(fù)雜的相變或分崩離析等問題，它都是液體。基本上，這些基于液體的電池不像許多其他電池那樣具有有限的壽命。"Spoerke說。

事實(shí)上，商用熔融鈉電池的壽命為10至15年，明顯長于標(biāo)準(zhǔn)鉛酸電池或鋰離子電池。

更安全的長效電池

桑迪亞的小型實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的碘化鈉電池在一個(gè)烤箱內(nèi)進(jìn)行了八個(gè)月的測(cè)試。過去兩年從事實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的博士后研究員MarthaGross在這八個(gè)月中對(duì)電池進(jìn)行了400多次充電和放電的實(shí)驗(yàn)。

桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研究人員LeoSmall（后排右）和ErikSpoerke（后排左）在觀察，前排的MarthaGross在氬氣手套箱中為他們的實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的碘化鈉電池工作。這種新的熔融鈉電池可能被證明是一種用于電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能的溫度較低、成本較低的電池。來源：蘭迪-蒙托亞/桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室

她說，由于新冠肺炎的大流行，他們不得不暫停實(shí)驗(yàn)一個(gè)月，讓熔融鈉和電解質(zhì)冷卻到室溫并凍結(jié)。格羅斯很高興，在將電池升溫后，它仍然可以工作。

這意味著，如果發(fā)生大規(guī)模的能源中斷，就像2月份在德克薩斯州發(fā)生的那樣，可以使用碘化鈉電池，然后讓其冷卻直至凍結(jié)。一旦中斷結(jié)束，它們就可以升溫、充電并恢復(fù)正常運(yùn)行，不需要漫長或昂貴的啟動(dòng)過程，也不會(huì)使電池的內(nèi)部化學(xué)成分退化。

碘化鈉電池也更安全。Spoerke說："當(dāng)電池內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，鋰離子電池就會(huì)起火，導(dǎo)致電池過熱失控。我們已經(jīng)證明，我們的電池化學(xué)特性不會(huì)發(fā)生這種情況。我們的電池，如果你把陶瓷分離器拿出來，讓金屬鈉與鹽類混合，什么也不會(huì)發(fā)生。當(dāng)然，電池會(huì)停止工作，但不會(huì)有激烈的化學(xué)反應(yīng)或火災(zāi)。”

Small補(bǔ)充說，如果外部火災(zāi)吞噬了鈉碘電池，電池很可能會(huì)破裂和失效，但它不應(yīng)該給火災(zāi)添加燃料或引起鈉的火災(zāi)。

此外，在3.6伏的電壓下，新的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(dǎo)致了更高的能量密度，這意味著未來用這種化學(xué)成分制造的潛在電池將需要更少的電池，電池之間的連接更少，并且整體上更低的單位成本來存儲(chǔ)相同數(shù)量的電力。

格羅斯補(bǔ)充說："由于我們?cè)谶@篇論文中報(bào)告了新的電解質(zhì)，我們對(duì)我們能夠在系統(tǒng)中潛在地塞進(jìn)多少能量感到非常興奮。熔融鈉電池已經(jīng)存在了幾十年，它們遍布全球，但從來沒有人談?wù)撨^它們。因此，能夠降低溫度并帶回一些數(shù)字，并說'這是一個(gè)非常、非常可行的系統(tǒng)'是非常棒的。"

碘化鈉電池的未來

Small說碘化鈉電池項(xiàng)目的下一步是繼續(xù)調(diào)整和完善陰離子化學(xué)，以取代氯化鎵成分。氯化鎵非常昂貴，是食鹽的100多倍。

目前該團(tuán)隊(duì)還在進(jìn)行各種工程調(diào)整，以使電池能夠更快更充分地充電和放電。之前確定的一項(xiàng)加快電池充電速度的修改是在陶瓷分離器的熔融鈉一側(cè)涂上一層薄薄的錫。

Spoerke認(rèn)為將碘化鈉電池推向市場(chǎng)可能需要5到10年時(shí)間，剩下的大部分挑戰(zhàn)是商業(yè)化挑戰(zhàn)，而不是技術(shù)挑戰(zhàn)。

Spoerke說："這是第一次展示低溫熔融鈉電池的長期、穩(wěn)定循環(huán)。我們所做的事情的神奇之處在于，我們已經(jīng)確定了鹽的化學(xué)和電化學(xué)，使我們能夠在230華氏度下有效地運(yùn)行。這種低溫鈉-碘配置有點(diǎn)像對(duì)熔融鈉電池的意義的重塑。"