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多年來，熔融鈉電池一直用于存儲來自太陽能電池板和風(fēng)力渦輪機等可再生能源的能量。然而，市售的熔融鈉電池，稱為鈉硫電池，通常在520-660華氏度下運行。

桑迪亞國家實驗室的研究人員設(shè)計了一類用于電網(wǎng)規(guī)模儲能的新型熔融鈉電池。該電池技術(shù)作為論文發(fā)表在近期的科學(xué)雜志《細胞報告物理科學(xué)》上。桑迪亞的新型熔融碘化鈉電池在230華氏度的溫度下運行。

該項目的首席研究員 Leo Small 說：“我們一直在努力將熔融鈉電池的工作溫度降低到盡可能低的水平。” “隨著電池溫度的降低，整個級聯(lián)成本可以節(jié)約。你可以使用更便宜的材料。電池需要更少的絕緣，連接所有電池的電線可以更細。”

然而，他補充說，在550度下工作的電池化學(xué)物質(zhì)在 230 度下不起作用。允許這種較低工作溫度的主要創(chuàng)新之一是他所謂的陰極電解液的開發(fā)。陰極電解液是兩種鹽的液體混合物，在這種情況下，碘化鈉和氯化鎵。

制造更好電池的基礎(chǔ)知識

堿性鉛酸蓄電池，常用作汽車點火電池，有鉛板和二氧化鉛板，中間有硫酸電解液。當(dāng)電池釋放能量時，鉛板與硫酸反應(yīng)形成硫酸鉛和電子。這些電子啟動汽車并返回電池的另一側(cè)，在那里二氧化鉛板使用電子和硫酸形成硫酸鉛和水。一直在工作的材料科學(xué)家 Erik Spoerke 表示，對于新型熔融鈉電池，鉛板由液態(tài)金屬鈉代替，二氧化鉛板由碘化鈉和少量氯化鎵的液體混合物代替。在熔融鈉電池上已有十多年的歷史。

當(dāng)新電池釋放能量時，鈉金屬會產(chǎn)生鈉離子和電子。另一方面，電子將碘轉(zhuǎn)化為碘離子。鈉離子穿過分離器到達另一側(cè)，在那里它們與碘離子反應(yīng)形成熔融碘化鈉鹽。電池的中間不是硫酸電解液，而是一個特殊的陶瓷隔板，只允許鈉離子從一側(cè)移動到另一側(cè)。

“在我們的系統(tǒng)中，與鋰離子電池不同，兩側(cè)的一切都是液體，”斯波爾克說。“這意味著我們不必處理經(jīng)歷復(fù)雜相變或分解的材料等問題；它都是液體?；旧?，這些液體電池不像許多其他電池那樣具有有限的壽命。”

事實上，商用熔融鈉電池的使用壽命為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

Sandia 的小型實驗室規(guī)模碘化鈉電池在烤箱中進行了八個月的測試。Martha Gross 是一名博士后研究員，過去兩年一直從事實驗室測試工作，在這八個月內(nèi)對電池進行了400多次充電和放電實驗。

研究人員在工作

桑迪亞國家實驗室的研究人員 Leo Small（右后）和 Erik Spoerke（左后）觀察 Martha Gross（前）在他們實驗室規(guī)模的碘化鈉電池上的氬手套箱中工作。這種新型熔融鈉電池可能被證明是一種用于電網(wǎng)規(guī)模儲能的低溫、低成本電池。圖片來源：Randy Montoya/桑迪亞國家實驗室

她說，由于 COVID-19 大流行，他們不得不暫停實驗一個月，讓熔融鈉和陰極電解液冷卻至室溫并凍結(jié)。Gross 很高興在加熱電池后，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)。Spoerke 補充說，一旦中斷結(jié)束，它們就可以預(yù)熱、充電并恢復(fù)正常運行，而無需漫長或昂貴的啟動過程，也不會降低電池的內(nèi)部化學(xué)性質(zhì)。

碘化鈉電池也更安全。Spoerke 說：“當(dāng)電池內(nèi)部出現(xiàn)故障時，鋰離子電池會著火，導(dǎo)致電池失控過熱。我們已經(jīng)證明，我們的電池化學(xué)不會發(fā)生這種情況。我們的電池，如果你拿陶瓷分離器取出，讓金屬鈉與鹽混合，什么也沒有發(fā)生。當(dāng)然，電池停止工作，但沒有劇烈的化學(xué)反應(yīng)或火災(zāi)。”

斯莫爾補充說，如果外界的火焰吞沒了碘化鈉電池，電池很可能會破裂并發(fā)生故障，但它不應(yīng)該助長火勢或引起鈉火災(zāi)。

此外，在3.6伏特時，新型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)致更高的能量密度，這意味著用這種化學(xué)物質(zhì)制成的潛在未來電池將需要更少的電池，電池之間的連接更少，并且存儲相同電量的整體單位成本更低，斯莫爾說。

格羅斯補充說：“由于我們在本文中報告了新的陰極電解液，我們對可能將多少能量塞入系統(tǒng)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，能夠降低溫度并返回一些數(shù)字并說，'這真的，真的可行的系統(tǒng)'非常整潔。”

鈉碘電池的未來

Small 說，鈉碘電池項目的下一步是繼續(xù)調(diào)整和改進陰極電解液的化學(xué)成分，以取代氯化鎵成分。氯化鎵非常昂貴，比食鹽貴100多倍。

Spoerke 補充說，該團隊還在進行各種工程調(diào)整，以使電池更快、更充分地充電和放電。先前確定的一種加速電池充電的改進是在陶瓷隔板的熔融鈉側(cè)涂上一層薄薄的錫。

Spoerke 補充說，將碘化鈉電池推向市場可能需要5到10年的時間，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)。

“這是低溫熔融鈉電池長期穩(wěn)定循環(huán)的首次示范，”Spoerke 說。“我們組合在一起的神奇之處在于，我們已經(jīng)確定了鹽化學(xué)和電化學(xué)，使我們能夠在230 華氏度下有效運行。這種低溫碘化鈉配置是對它意味著什么的一種重新發(fā)明熔融鈉電池。”

新鈉電池的開發(fā)得到了能源部電力儲能項目辦公室的支持。 

原標(biāo)題：新型熔融鈉電池可能是電網(wǎng)削峰填谷的未來電池