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钠硫电池

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钠硫电池横切面图。

钠硫电池是一种由液体钠(Na)和硫(S)组成的熔盐电池。[1][2]这类电池拥有高能量密度、高充/放电效率(89-92%)[来源请求]和长寿命周期，亦由廉价的材料制造。由于本电池操作温度高达300至350°C，而且钠多硫化物具有高度腐蚀性，它们主要用于定点能量储存。电池愈大；效益愈高。

构成

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典型的电池在阳极和阴极之间有一个固体电解液膜，而液态金属电池的阳极、阴极及隔离膜都是液体。

该电池通常是圆柱形。整个电池由一个由铬和钼保护钢铁内层的外壳密封。此容器外部是正极，而液态钠是负极。电池由氧化铝盖封顶。电池最重要的部分在于β-固体氧化铝电解质膜，它能选择性地让Na+通过。在商业应用中电池被排列成方块，方便装在一个真空隔热的盒中。

运作

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在放电阶段，熔化的钠原子充当阳极，这意味着Na释出电子到外部电路。钠由β-固体氧化铝电解质筒跟容器外的熔化硫分开，而容器则由无活性金属制造，作为阴极。硫被碳制的海绵吸入储存。电解质膜是一个良好的钠离子导体，但亦是离域电子的绝缘体，并因此避免了自行排电。当钠释出一个电子，Na+离子移动到硫容器。电子驱动的电流通过熔化钠到达接触点，经过电负荷并回到盛着硫的容器。在这里，另一粒电子和硫发生反应，形成Sn2−离子、钠多硫化物的。放电过程可以如下表示：

2Na+4S→Na2S4(2伏特)

当电池放电时，钠将会愈来愈少，充电时则愈来愈多。当电池正在运作时，充电和放电所产生的热能通常都足以维持钠和硫在液态，因此不需额外热源。

安全

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纯钠相当危险，因它会被快速氧化或与水反应，因此本电池必须远离氧气及水。

发展

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美国

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福特汽车在1960年代一直都带领着电池的发展，因早期电动车以本电池推动。[3]

截至2009年1月,一个低温固态版正被研究。其利用NASICON膜代替β-固体氧化铝电解质膜。若果成功，本电池可以90℃之低温运作。[4][5]

2014年研究人员利用钠铯合金作电解质。该电池在150℃环境下每克可产生420毫安培时。在100个充／放电循环后，该电池仍有97%的原承载力。较低温度使外壳的成本降低，但同时因使用铯而使成本上涨。[6][7]

日本

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钠硫电池是1980年月光计划的其中一个选项。这个10年期项目寻求建立一个持久电能存储设备。条件如下︰

  • 至少1000 千瓦
  • 在额定负载下充/放电至少8小时
  • 效率下限70%
  • 寿命周期至少1500个

其他候选电池为铅酸蓄电池、钒电池和锌溴电池（英语：Zinc–bromine battery）。

一个包括东京电力公司和日本碍子株式会社(NGK)的联盟在1983年表达其参与研究之意愿，而且成为了主要的贡献者。其幕后原因乃因钠、硫和陶瓷在日本皆十分充足。经过1993至1996年利用3 x 2MW,6.6 kV的电池测试后，2000年电池正式推出市场。[8]

  • 25–250 千瓦;
  • 效率︰87%
  • 2500周期 (没有耗损)，4500周期 (低于20%耗损)。

2008年5月，日本青森县风电场竣工，包括51兆瓦风电机及34兆瓦钠硫电池系统。[9]

截至2007年，电池总容量为165兆瓦。NGK决定把钠硫电池工厂的输出量从90兆瓦至150兆瓦。[10]

2011年3月,住友电气工业株式会社和京都大学和宣布他们成功发明低温钠硫电池。其运作温度可低至100℃。它们的成本明显低于锂电池，但能量密度却是其2倍。住友电气工业株式会社亦于2015年开始生产该电池，在巴士及大厦上使用。[11]

挑战

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绝缘体被腐蚀是一个在高要求环境下的问题，因为他们导电性和放电率增加。树枝状的钠形成也是一个潜在问题。

应用

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电网和独立系统

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钠硫电池可以支持电网或独立可再生能源系统[12]。在2010年，得克萨斯州建成了世界上最大的钠硫电池，当电力系障故障时可连续8小时提供4百万瓦(4MW)的电力。[13]在某些市场条件下，钠硫电池可透过蓄起能量(充电时，电力价格便宜；放到电网时，电力价格高昂))和电压调节套利。[14]钠硫电池可通过能量存储技术支持可再生能源发电，尤其是风力农场和太阳能发电厂。以风场为例，电池将在大风但低电力需求时存起能量，在用电高峰时再放电。除了这种电力转移以外，钠硫电池能够用于稳定风力农场输出功率。这类电池还能在其他选项不可行时发挥作用。例如，抽水蓄水电设施需要大量的空间和水资源，而压缩空气能量存储需要某些地质特征，例如盐洞。[15]

太空

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因为它的能量密度高，钠硫电池已被建议用于太空。[16][17]钠硫电池可以在太空中使用，测试证明钠硫电池能在航天飞机上运作。钠硫飞行实验证明电池在350°C的环境下拥有150瓦时/公斤的能量密度(3x镍氢电池的能量密度)，并在1997年成功实验运行10天。[18]

运输和重型机械

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第一次大规模使用钠硫电池是在福特汽车的示范车辆，[19] 一个1991年的电动车原型。高操作温度郤令钠硫电池无法被用在车辆上，结果该型号从来没有被生产。

另见

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参考文献

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  1. ^ Wen, Z.; Hu, Y.; Wu, X.; Han, J.; Gu, Z. Main Challenges for High Performance NAS Battery: Materials and Interfaces. Advanced Functional Materials. 2013, 23 (8): 1005. doi:10.1002/adfm.201200473. 
  2. ^ Bland, Eric. Pourable batteries could store green power. MSNBC. Discovery News. 2009-03-26 [2010-04-12]. （原始内容存档于2009-03-28）. 
  3. ^ Davidson, Paul. New battery packs powerful punch. USA Today. 2007-07-05 [2017-07-11]. （原始内容存档于2010-10-13）. 
  4. ^ New battery could change world, one house at a time | Ammiraglio61's Blog （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
  5. ^ Ceramatec’s home power storage - The American Ceramic Society. ceramics.org. [2017-07-11]. （原始内容存档于2010-12-24）. 
  6. ^ Lu, X.; Li, G.; Kim, J. Y.; Mei, D.; Lemmon, J. P.; Sprenkle, V. L.; Liu, J. Liquid-metal electrode to enable ultra-low temperature sodium–beta alumina batteries for renewable energy storage. Nature Communications. 2014, 5: 4578. PMID 25081362. doi:10.1038/ncomms5578. 
  7. ^ PNNL: News - 'Wetting' a battery's appetite for renewable energy storage. www.pnnl.gov. August 1, 2014 [2016-06-25]. （原始内容存档于2021-02-21）. 
  8. ^ (Japanese). ulvac-uc.co.jp
  9. ^ "Can Batteries Save Embattled Wind Power?" 互联网档案馆的存档，存档日期2011-09-27. by Hiroki Yomogita 2008
  10. ^ 2008年｜ニュース｜日本ガイシ株式会社. Ngk.co.jp. 2008-07-28 [2010-04-12]. （原始内容存档于2010年3月23日） （日语）. 
  11. ^ Sumitomo Electric Industries, Ltd. - Press Release (2014) Development of “sEMSA,” a New Energy Management System for Business Establishment/Plant Applications. global-sei.com. [2017-07-11]. （原始内容存档于2019-11-02）. 
  12. ^ Aquion Energy to build microgrid battery system in Hawaii. [2017-07-11]. （原始内容存档于2020-11-08）. 
  13. ^ Texas Town Installs a Monster Battery for Backup Power | Popular Science （页面存档备份，存于互联网档案馆）.
  14. ^ Walawalkar, R.; Apt, J.; Mancini, R. Economics of electric energy storage for energy arbitrage and regulation in New York. Energy Policy. 2007, 35 (4): 2558. doi:10.1016/j.enpol.2006.09.005. 
  15. ^ Stahlkopf, Karl. Taking Wind Mainstream. IEEE Spectrum. 2006-06 [2010-04-12]. （原始内容存档于2008-10-05）. 
  16. ^ Koenig, A. A.; Rasmussen, J. R. Development of a high specific power sodium sulfur cell. Proceedings of the 34th International Power Sources Symposium. 1990: 30. ISBN 0-87942-604-7. doi:10.1109/IPSS.1990.145783. 
  17. ^ Auxer, William. The PB sodium sulfur cell for satellite battery applications. Proceedings of the International Power Sources Symposium, 32nd, Cherry Hill, NJ (Pennington, NJ: Electrochemical Society). June 9–12, 1986,. A88-16601 04–44: 49–54. Bibcode:1986poso.symp...49A. 
  18. ^ Garner, J. C.; Baker, W. E.; Braun, W.; Kim, J. Sodium Sulfur Battery Cell Space Flight Experiment. 31 December 1995 [2017-07-11]. （原始内容存档于2017-10-31） –通过www.osti.gov. 
  19. ^ Cogan, Ron. Ford Ecostar EV, Ron Cogan. Greencar.com. 2007-10-01 [2010-04-12]. （原始内容存档于2008-12-03）. 

外部链接

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