一张图看懂钠硫电池

PoisonApple 发表于 2018-03-02 08:41:03 收藏 已收藏
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一张图看懂钠硫电池

PoisonApple 发表于 2018-03-02 08:41:03

钠硫电池

通常情况下,钠硫电池由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成,与一般二次电池(铅酸电池、镍镉电池等)不同,钠硫电池是由熔融电极和固体电解质组成,负极的活性物质为熔融金属钠,正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。

钠硫电池(NaS)作为一种新型化学电源,自问世以来已有了很大发展。钠硫电池体积小、容量大、寿命长、效率高,在电力储能中广泛应用于削峰填谷、应急电源、风力发电等储能方面。

钠硫电池作用

钠与硫就会通过化学反应,将电能储存起来,当电网需要更多电能时,它又会将化学能转化成电能,释放出去,钠硫电池的“蓄洪”性能非常优异,即使输入的电流突然超过额定功率5-10倍,它也能泰然承受,再以稳定的功率释放到电网中——这对于大型城市电网的平稳运行尤其有用。

太阳能、风能等新能源虽然洁净,但发电功率很不稳定。这会给整个电网带来不期而至的“洪峰”。储能电站会将这些“绿电”先照单全收,再根据电网需求输出。

钠硫电池是以Na-beta-氧化铝(AL2O3)为电解质和隔膜,并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池。钠硫电池用于储能具有独到的优势,主要体现在原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便等方面。

钠硫电池的内部结构

2010年上海世博会期间,在国家电网馆人们会被一个高约半米的巨大电池所吸引,这样一个电池就是由中国科学院上海硅酸盐研究所自行研制成功的钠硫电池。钠硫电池属于中温绿色二次电池,具有容量大、体积小、能量储存和转换效率高、寿命长、不受地域限制等优点,非常适合电力储能。世博会上展出的钠硫电池在充满电后相当于2250节普通AA型碳电池。如此有用的钠硫电池的发现竟然源于一个有趣的“灵光一现”。怎么回事呢?听我给大家讲讲。

1966年,福特汽车公司的韦伯、库莫尔等人以及陶氏化学公司的鲍勃·海茨、威廉·布朗、查尔斯·莱文等人独立发明了钠硫电池。福特汽车公司的钠硫电池采用β-氧化铝作为固体电解质,而陶氏的采用的是玻璃电解质。查尔斯描述了他当时在陶氏时发现钠硫电池的经历。他当时正在用超细中空纤维电解质做氢气燃料电池。在一个类似于多管锅炉的结构中,直径在100—200微米的中空纤维缠在一起了,纤维的内壁有金属覆盖,外壁是塑料化的。氢气从管中流过,空气从管外流过。但是当他们最终决定电极中铂催化剂的使用量时,他们发现这个电池成本太高,在太空和军事领域都没有用了。于是他们想我们这个技术中间还有什么是有用的呢?他们的研究主管鲍勃·海茨提出我们能不能把这个纤维中间填满钠作为钠电极呢?1964年的圣诞清晨,他们用Cu+-Cu2+作为阴极组装出了第一个钠电池。之后开始寻找合适的阴极材料来实现电池的可逆。这时,威廉·布朗提出用硫,却当即就遭到质疑。因为硫是一个近乎绝缘的材料,用它作为电极材料有些不可思议。然而,1965年一月末的一天,他们所做的钠硫电池实现了可逆充放电!之后就有了钠硫电池的长足发展了。可见一个看起来没用的工作,也许会对其他领域有启发呢!

那么现在我们看到的钠硫电池的具体结构和构造到底是怎样的呢?让我们一起来揭秘钠硫电池的内部核心吧。

钠硫电池在一些方面不同与一般的电池。它采用的是固体电解质和液态金属负极材料。

一张图看懂钠硫电池

一张图看懂钠硫电池

图中右侧所示的是钠硫电池充放电过程中的电极反应过程。放电时熔融钠阳极失电子变成钠离子,钠离子经固体电解质到达硫阴极形成多硫化钠。电子经外电路到达阴极参与反应。充电时钠离子重新经过电解质回到阳极,过程与放电时相反。放电深度不同,多硫化钠的主要成分也不同。一般所说的钠硫电池的理论容量760Wh Kg-1是完全生成Na2S3来计算的。

图中左侧所示的是以钠为芯的柱状钠硫电池的内部结构剖面示意图。深灰色部分为固体电解质,现在一般采用β’’-氧化铝,它是一种有着氧化铝骨架层和钠离子导电层交错排列的晶格结构的陶瓷材料。固体电解质是电池最重要的部分,承担着传导钠离子和隔膜的双重作用。中间的绿色部分是钠阳极,在电池工作温度(300—350℃)下,呈熔融态。蓝色部分为钠极集流体,引出后作为负极终端。外部的橘色部分为硫和多硫化钠阴极材料。由于硫的导电性不好,因此一般加入碳毡增加电极材料的导电性。红色部分为硫极集流体,也同时作为电池外壳。因为多硫化钠有较强的腐蚀性,所以一般采用抗腐蚀的不锈钢作为电池外壳。

我们可以发现钠硫电池所采用的电极材料都是比较轻的元素,而且整个电池没有采用对环境有污染的材料,因此可以说钠硫电池是一个理想的绿色二次电源,在储能和电动车等领域很有潜力。

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