Натриево -серная батарея (NaS) — это тип батареи с расплавленной солью , в которой используются электроды из жидкого натрия и жидкой серы . [1] [2] Этот тип аккумуляторов имеет такую же плотность энергии, как и литий-ионные аккумуляторы , [3] и изготовлен из недорогих и нетоксичных материалов. Однако из-за требуемой высокой рабочей температуры (обычно от 300 до 350 °C), а также высокой коррозионной и реактивной природы натрия и полисульфидов натрия эти батареи в первую очередь подходят для стационарных аккумуляторов энергии , а не для использования в транспортные средства. Батареи с расплавленным Na-S масштабируются по размеру: имеется система поддержки микросети мощностью 1 МВт на острове Каталина, Калифорния (США), и система мощностью 50 МВт/300 МВтч в Фукуоке , Кюсю, (Япония). [4]
Несмотря на очень низкие капитальные затраты и высокую плотность энергии (300-400 Втч/л), расплавленные натриево-серные батареи не получили широкого распространения: их было около 2000 штук. всего 200 установок с совокупной мощностью 4 ГВт/0,56 ГВт по всему миру. [5] против 948 ГВтч для литий-ионных аккумуляторов . [6] Плохое внедрение на рынке расплавленных натриево-серных батарей связано с их безопасностью и долговечностью, такими как короткий срок службы, составляющий в среднем менее 1000 циклов (хотя есть сообщения о 15-летней эксплуатации с 300 циклами в год). [5] В 2023 году только одна компания ( Niterra , ранее NGK of Japan) будет производить расплавленные батареи NaS в коммерческих масштабах.
Как и многие высокотемпературные батареи, натрий-серные элементы становятся более экономичными с увеличением размера. Это связано с законом квадрата-куба : большие элементы имеют меньшие относительные потери тепла, поэтому поддерживать их высокие рабочие температуры легче. Коммерчески доступные элементы обычно имеют большие размеры и большую емкость (до 500 Ач).
Аналогичный тип батареи называется батареей ZEBRA , в которой используется NiCl.
2/ AlCl
3католит вместо расплавленного полисульфида натрия в прошлом вызывал больший коммерческий интерес, но по состоянию на 2023 год [обновлять]коммерческих производителей ZEBRA нет. Известны также натриево-серные батареи комнатной температуры. Они не используют ни жидкий натрий, ни жидкую серу, ни твердый электролит на основе бета-глинозема натрия , а работают на совершенно других принципах и сталкиваются с другими проблемами, чем обсуждаемые здесь высокотемпературные батареи с расплавленным NaS.
Типичные батареи имеют мембрану из твердого электролита между анодом и катодом , по сравнению с жидкометаллическими батареями, где анод, катод и мембрана являются жидкостями. [2]
Ячейка обычно изготавливается в цилиндрической конфигурации . Вся ячейка заключена в стальной кожух, который защищен, как правило, хромом и молибденом от коррозии изнутри. Этот внешний контейнер служит положительным электродом, а жидкий натрий — отрицательным электродом. Контейнер закрывается сверху воздухонепроницаемой крышкой из оксида алюминия . Существенной частью элемента является наличие мембраны BASE ( твердый электролит бета-глинозема ), которая избирательно проводит Na + . В коммерческих целях элементы располагаются блоками для лучшего сохранения тепла и помещаются в коробку с вакуумной изоляцией.
Для работы вся батарея должна быть нагрета до температуры плавления серы 119 °C или выше. Натрий имеет более низкую температуру плавления, около 98 °C, поэтому батарея, содержащая расплавленную серу, по умолчанию удерживает расплавленный натрий. Это представляет собой серьезную проблему безопасности; натрий может самовозгораться на воздухе, а сера легко воспламеняется. Несколько экземпляров Ford Ecostar , оснащенных такой батареей, загорелись во время подзарядки, что заставило Ford отказаться от попыток разработки расплавленных NaS-аккумуляторов для автомобилей. [7]
Во время фазы разряда расплавленный элементарный натрий в ядре служит анодом , а это означает, что Na отдает электроны во внешнюю цепь. Натрий отделяется цилиндром с твердым электролитом из бета-глинозема (BASE) от контейнера с расплавленной серой, который изготовлен из инертного металла и служит катодом . Сера поглощается угольной губкой.
BASE является хорошим проводником ионов натрия при температуре выше 250 °C, но плохим проводником электронов и, следовательно, позволяет избежать саморазряда. Металлический натрий не полностью смачивает ОСНОВУ при температуре ниже 400 °C из-за слоя оксида(ов), разделяющего их; эту температуру можно снизить до 300 °C, покрыв ОСНОВАНИЕ некоторыми металлами и/или добавив к натрию поглотители кислорода, но даже в этом случае смачивание будет невозможным при температуре ниже 200 °C. [8] Прежде чем ячейка сможет начать работу, ее необходимо нагреть, что приводит к дополнительным затратам. Чтобы решить эту проблему, были проведены тематические исследования по подключению натриево-серных батарей к тепловым солнечным энергетическим системам. [9] Тепловая энергия, собранная от солнца, будет использоваться для предварительного нагрева ячеек и поддержания высоких температур в течение коротких периодов между использованиями. Во время работы тепла, выделяемого в ходе циклов зарядки и разрядки, достаточно для поддержания рабочей температуры, и обычно внешний источник не требуется. [10]
Когда натрий отдает электрон , ион Na + мигрирует в контейнер с серой. Электрон пропускает электрический ток через расплавленный натрий к контакту, через электрическую нагрузку и обратно в контейнер с серой. Здесь другой электрон реагирует с серой с образованием S n 2- , полисульфида натрия . Процесс разряда можно представить следующим образом:
Когда клетка разряжается, уровень натрия падает. Во время фазы зарядки происходит обратный процесс.
Чистый натрий представляет опасность, поскольку он самопроизвольно воспламеняется при контакте с воздухом и влагой, поэтому систему необходимо защищать от воды и окислительной атмосферы.
Рано утром 21 сентября 2011 года загорелась аккумуляторная система NaS мощностью 2000 киловатт производства NGK , принадлежащая Tokyo Electric Power Company, используемая для хранения электроэнергии и установленная на заводе Mitsubishi Materials Corporation в Цукубе, Япония . После инцидента NGK временно приостановила производство аккумуляторов NaS. [11]
Компания Ford Motor Company впервые применила батарею в 1960-х годах для питания первых моделей электромобилей . [12] В 1989 году Ford возобновил работу над электромобилем Na-S с батарейным питанием, который получил название Ford Ecostar . Автомобиль имел запас хода в 100 миль, что в два раза больше, чем у любого другого полностью электрического автомобиля, продемонстрированного ранее. 68 таких автомобилей были сданы в аренду компаниям United Parcel Service , Detroit Edison Company , почтовому отделению США , Southern California Edison , Научно-исследовательскому институту электроэнергетики и Калифорнийскому совету по воздушным ресурсам . Несмотря на низкую стоимость материалов, производство этих батарей было дорогостоящим, поскольку за это время не была достигнута экономия на масштабе . Кроме того, срок службы батареи оценивался всего в 2 года. Однако программа была прекращена в 1995 году, после того как загорелись два аккумулятора арендованного автомобиля. [13]
По состоянию на 2009 год в штате Юта компанией Ceramatec[обновлять] разрабатывалась версия с твердым электродом для более низких температур . Они используют мембрану NASICON , позволяющую работать при температуре 90 °C, при этом все компоненты остаются твердыми. [14] [15]
В 2014 году исследователи обнаружили жидкий натрий-цезиевый сплав, который работает при температуре 150 °C и производит 420 миллиампер -часов на грамм. Материал полностью покрыл («смочил») электролит. После 100 циклов зарядки/разрядки тестовая батарея сохранила около 97% своей первоначальной емкости. Более низкая рабочая температура позволила использовать менее дорогой полимерный внешний корпус вместо стального, что компенсировало часть увеличения затрат, связанных с использованием цезия. [8] [16]
Батарея NaS была одним из четырех типов батарей, выбранных MITI в качестве кандидатов для интенсивных исследований в рамках «Проекта лунного света» в 1980 году. Этот проект был направлен на разработку долговечного устройства хранения энергии, отвечающего критериям, показанным ниже, в течение 10 лет. .
Остальные три представляли собой улучшенные свинцово-кислотные , окислительно-восстановительные батареи (ванадиевого типа) и бромидно-цинковые батареи .
Консорциум, образованный TEPCO ( Tokyo Electric Power Co.) и NGK ( NGK Insulators Ltd.), заявил о своей заинтересованности в исследовании батареи NaS в 1983 году и с тех пор стал основной движущей силой разработки этого типа. Компания TEPCO выбрала батарею NaS, поскольку все ее составные элементы ( натрий , сера и глинозем ) широко распространены в Японии. Первые крупномасштабные полевые испытания прошли на подстанции TEPCO Цунашима в период с 1993 по 1996 год с использованием аккумуляторных батарей 3 x 2 МВт, 6,6 кВ. На основе результатов этого испытания были разработаны улучшенные аккумуляторные модули, которые стали коммерчески доступными в 2000 году. Коммерческий аккумулятор NaS предлагает: [17]
В демонстрационном проекте использовалась батарея NaS в ветропарке Миура компании Japan Wind Development Co. в Японии. [18]
В мае 2008 года компания Japan Wind Development открыла в Футамате в префектуре Аомори ветряную электростанцию мощностью 51 МВт, которая включает в себя систему натриево-серных батарей мощностью 34 МВт. [19]
По состоянию на 2007 год в Японии установлено 165 МВт мощности. В 2008 году NGK объявила о плане увеличения мощности завода NaS с 90 МВт в год до 150 МВт в год. [20]
В 2010 году компания Xcel Energy объявила, что проведет испытания аккумуляторной батареи ветряной электростанции на основе двадцати натриево-серных батарей мощностью 50 кВт. Ожидается, что 80-тонная батарея размером с 2 полуприцепа будет иметь емкость 7,2 МВт·ч при скорости заряда и разряда 1 МВт. [21] С тех пор NGK объявила о нескольких крупномасштабных развертываниях, включая виртуальную установку, распределенную на 10 объектах в ОАЭ , общей мощностью 108 МВт/648 МВтч в 2019 году. [22]
В марте 2011 года Sumitomo Electric Industries и Киотский университет объявили, что они разработали низкотемпературную расплавленную ионно-натриевую батарею, которая может выдавать мощность при температуре ниже 100 ° C. Аккумуляторы имеют вдвое большую плотность энергии, чем литий-ионные, и значительно более низкую стоимость. Генеральный директор Sumitomo Electric Industry Масаеси Мацумото сообщил, что компания планирует начать производство в 2015 году. Предполагается, что первоначальными областями применения будут здания и автобусы. [23] [ не удалось проверить ]
Батареи из расплавленного бета-глинозема натрия не оправдали ожиданий по долговечности и безопасности, которые лежали в основе нескольких попыток коммерциализации в 1980-х годах. Характерный срок службы батарей NaS был определен как 1000-2000 циклов по распределению Вейбулла с k=0,5. [24] Существует несколько путей деградации:
Батареи NaS могут использоваться для поддержки электросети или для автономных приложений, использующих возобновляемые источники энергии [33] . В некоторых рыночных условиях батареи NaS обеспечивают ценность за счет энергетического арбитража (зарядка батареи, когда электроэнергии много/дешево, и разрядка в сеть, когда электричество более ценно) и регулирования напряжения . [34] Батареи NaS представляют собой возможную технологию хранения энергии для поддержки производства возобновляемой энергии, в частности, ветряных электростанций и солнечных электростанций. В случае с ветряной электростанцией батарея будет хранить энергию во время сильного ветра, но при низком энергопотреблении. Эта накопленная энергия затем может быть разряжена из аккумуляторов в периоды пиковой нагрузки . В дополнение к этому переключению мощности можно использовать серно-натриевые батареи для стабилизации выходной мощности ветряной электростанции во время колебаний ветра. Эти типы батарей представляют собой возможность хранения энергии в местах, где другие варианты хранения невозможны. Например, гидроаккумулирующие электростанции требуют значительных площадей и водных ресурсов, в то время как хранилище энергии сжатого воздуха ( CAES ) требует определенного типа геологических объектов, таких как соляная пещера. [35]
В 2016 году компания Mitsubishi Electric Corporation ввела в эксплуатацию крупнейшую в мире натриево-серную батарею в префектуре Фукуока , Япония. Объект предлагает хранилище энергии, которое помогает управлять уровнем энергии в часы пик с использованием возобновляемых источников энергии. [36] [37]
Из-за своей высокой плотности энергии батарея NaS была предложена для космического применения. [38] [39] Натриево-серные элементы можно использовать в космосе: на самом деле испытательный натриево-серный элемент летал на космическом корабле «Шаттл» . Летный эксперимент NaS продемонстрировал батарею с удельной энергией 150 Вт·ч/кг (3 x плотность энергии никель-водородной батареи), работающую при 350 °C. Он был запущен в рамках миссии STS-87 в ноябре 1997 года и продемонстрировал 10 дней экспериментальной эксплуатации. [40]
Концепция миссии Venus Landsailing Rover также рассматривает использование батареи этого типа, поскольку марсоход и его полезная нагрузка рассчитаны на работу около 50 дней на горячей поверхности Венеры без системы охлаждения. [41] [42]
Первое крупномасштабное использование натрий-серных батарей произошло в демонстрационном автомобиле Ford «Ecostar» , [43] прототипе электромобиля , в 1991 году. Однако высокая рабочая температура серно-натриевых батарей представляла трудности для использования электромобилей. Ecostar так и не пошел в производство.
Одним из основных недостатков традиционных натриево-серных батарей является то, что для их работы требуются высокие температуры. Это означает, что их необходимо предварительно нагреть перед использованием и что они будут потреблять часть накопленной энергии (до 14%) для поддержания этой температуры, когда они не используются. Помимо экономии энергии, работа при комнатной температуре снижает проблемы безопасности, такие как взрывы, которые могут возникнуть из-за выхода из строя твердого электролита во время работы при высоких температурах. [44] Исследования и разработки натрий-серных батарей, которые могут работать при комнатной температуре, продолжаются. Несмотря на более высокую теоретическую плотность энергии натрий-серных элементов при комнатной температуре по сравнению с высокой температурой, эксплуатация при комнатной температуре создает такие проблемы, как: [44]
Эффект челнока :
Челночный эффект в натриево-серных батареях приводит к потере емкости, которую можно определить как уменьшение количества энергии, которую можно извлечь из батареи. [45] Когда аккумулятор разряжается, ионы натрия реагируют с серой (которая находится в форме S 8 ) на катоде с образованием полисульфидов на следующих этапах: [45]
Проблема возникает, когда растворимые формы полисульфида мигрируют к аноду, где образуют нерастворимые полисульфиды. Эти нерастворимые полисульфиды образуют на аноде дендриты, которые могут повредить батарею и препятствовать движению ионов натрия в электролит. [45] Кроме того, нерастворимые полисульфиды на аноде не могут быть преобразованы обратно в серу во время перезарядки аккумулятора, а это означает, что для работы аккумулятора доступно меньше серы (потеря емкости). [45] В настоящее время проводятся исследования того, как можно избежать эффекта челнока.
Объект предлагает возможности аккумулирования энергии, аналогичные возможностям гидроэлектростанций, помогая улучшить баланс спроса и предложения.
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )