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鈉硫電池

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鈉硫電池橫切面圖。

鈉硫電池是一種由液體鈉(Na)和硫(S)組成的熔鹽電池。[1][2]這類電池擁有高能量密度、高充/放電效率(89-92%)[來源請求]和長壽命周期，亦由廉價的材料製造。由於本電池操作溫度高達300至350°C，而且鈉多硫化物具有高度腐蝕性，它們主要用於定點能量儲存。電池愈大；效益愈高。

構成

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典型的電池在陽極和陰極之間有一個固體電解液膜，而液態金屬電池的陽極、陰極及隔離膜都是液體。

該電池通常是圓柱形。整個電池由一個由鉻和鉬保護鋼鐵內層的外殼密封。此容器外部是正極，而液態鈉是負極。電池由氧化鋁蓋封頂。電池最重要的部分在於β-固體氧化鋁電解質膜，它能選擇性地讓Na+通過。在商業應用中電池被排列成方塊，方便裝在一個真空隔熱的盒中。

運作

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在放電階段，熔化的鈉原子充當陽極，這意味著Na釋出電子到外部電路。鈉由β-固體氧化鋁電解質筒跟容器外的熔化硫分開，而容器則由無活性金屬製造，作為陰極。硫被碳製的海綿吸入儲存。電解質膜是一個良好的鈉離子導體，但亦是離域電子的絕緣體，並因此避免了自行排電。當鈉釋出一個電子，Na+離子移動到硫容器。電子驅動的電流通過熔化鈉到達接觸點，經過電負荷並回到盛著硫的容器。在這裡，另一粒電子和硫發生反應，形成Sn2−離子、鈉多硫化物的。放電過程可以如下表示：

2Na+4S→Na2S4(2伏特)

當電池放電時，鈉將會愈來愈少，充電時則愈來愈多。當電池正在運作時，充電和放電所產生的熱能通常都足以維持鈉和硫在液態，因此不需額外熱源。

安全

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純鈉相當危險，因它會被快速氧化或與水反應，因此本電池必須遠離氧氣及水。

發展

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美國

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福特汽車在1960年代一直都帶領著電池的發展，因早期電動車以本電池推動。[3]

截至2009年1月,一個低溫固態版正被研究。其利用NASICON膜代替β-固體氧化鋁電解質膜。若果成功，本電池可以90℃之低溫運作。[4][5]

2014年研究人員利用鈉銫合金作電解質。該電池在150℃環境下每克可產生420毫安培時。在100個充／放電循環後，該電池仍有97%的原承載力。較低溫度使外殼的成本降低，但同時因使用銫而使成本上漲。[6][7]

日本

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鈉硫電池是1980年月光計劃的其中一個選項。這個10年期項目尋求建立一個持久電能存儲設備。條件如下︰

  • 至少1000 千瓦
  • 在額定負載下充/放電至少8小時
  • 效率下限70%
  • 壽命周期至少1500個

其他候選電池為鉛酸蓄電池、釩電池和鋅溴電池（英語：Zinc–bromine battery）。

一個包括東京電力公司和日本礙子株式會社(NGK)的聯盟在1983年表達其參與研究之意願，而且成為了主要的貢獻者。其幕後原因乃因鈉、硫和陶瓷在日本皆十分充足。經過1993至1996年利用3 x 2MW,6.6 kV的電池測試後，2000年電池正式推出市場。[8]

  • 25–250 千瓦;
  • 效率︰87%
  • 2500周期 (沒有耗損)，4500周期 (低於20%耗損)。

2008年5月，日本青森縣風電場竣工，包括51兆瓦風電機及34兆瓦鈉硫電池系統。[9]

截至2007年，電池總容量為165兆瓦。NGK決定把鈉硫電池工廠的輸出量從90兆瓦至150兆瓦。[10]

2011年3月,住友電氣工業株式會社和京都大學和宣佈他們成功發明低溫鈉硫電池。其運作溫度可低至100℃。它們的成本明顯低於鋰電池，但能量密度卻是其2倍。住友電氣工業株式會社亦於2015年開始生產該電池，在巴士及大廈上使用。[11]

挑戰

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絕緣體被腐蝕是一個在高要求環境下的問題，因為他們導電性和放電率增加。樹枝狀的鈉形成也是一個潛在問題。

應用

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電網和獨立系統

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鈉硫電池可以支持電網或獨立可再生能源系統[12]。在2010年，德克薩斯州建成了世界上最大的鈉硫電池，當電力系障故障時可連續8小時提供4百萬瓦(4MW)的電力。[13]在某些市場條件下，鈉硫電池可透過蓄起能量(充電時，電力價格便宜；放到電網時，電力價格高昂))和電壓調節套利。[14]鈉硫電池可通過能量存儲技術支持可再生能源發電，尤其是風力農場和太陽能發電廠。以風場為例，電池將在大風但低電力需求時存起能量，在用電高峰時再放電。除了這種電力轉移以外，鈉硫電池能夠用於穩定風力農場輸出功率。這類電池還能在其他選項不可行時發揮作用。例如，抽水蓄水電設施需要大量的空間和水資源，而壓縮空氣能量存儲需要某些地質特徵，例如鹽洞。[15]

太空

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因為它的能量密度高，鈉硫電池已被建議用於太空。[16][17]鈉硫電池可以在太空中使用，測試證明鈉硫電池能在太空梭上運作。鈉硫飛行實驗證明電池在350°C的環境下擁有150瓦時/公斤的能量密度(3x鎳氫電池的能量密度)，並在1997年成功實驗運行10天。[18]

運輸和重型機械

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第一次大規模使用鈉硫電池是在福特汽車的示範車輛，[19] 一個1991年的電動車原型。高操作溫度郤令鈉硫電池無法被用在車輛上，結果該型號從來沒有被生產。

另見

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參考文獻

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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]. （原始內容存檔於2009-03-28）. 
  3. ^ Davidson, Paul. New battery packs powerful punch. USA Today. 2007-07-05 [2017-07-11]. （原始內容存檔於2010-10-13）. 
  4. ^ New battery could change world, one house at a time | Ammiraglio61's Blog （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
  5. ^ Ceramatec’s home power storage - The American Ceramic Society. ceramics.org. [2017-07-11]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2021-02-21）. 
  8. ^ (Japanese). ulvac-uc.co.jp
  9. ^ "Can Batteries Save Embattled Wind Power?" 網際網路檔案館的存檔，存檔日期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]. （原始內容存檔於2010年3月23日） （日語）. 
  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]. （原始內容存檔於2019-11-02）. 
  12. ^ Aquion Energy to build microgrid battery system in Hawaii. [2017-07-11]. （原始內容存檔於2020-11-08）. 
  13. ^ Texas Town Installs a Monster Battery for Backup Power | Popular Science （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）.
  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]. （原始內容存檔於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]. （原始內容存檔於2017-10-31） –透過www.osti.gov. 
  19. ^ Cogan, Ron. Ford Ecostar EV, Ron Cogan. Greencar.com. 2007-10-01 [2010-04-12]. （原始內容存檔於2008-12-03）. 

外部連結

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