电网能量图像
Leo Small(后排右)和Erik Spoerke(后排左)看着Martha Gross(前排)在他们实验室规模的碘化钠电池的氩气手套箱里工作。这种新型的熔融钠电池可以被证明是一种温度更低、成本更低的电网储能电池。

熔融钠电池多年来一直被用于储存来自可再生能源的能量,如太阳能电池板和风力涡轮机。然而,商业上可用的熔融钠硫电池通常在520 - 660°F(270 - 350°C)下工作。桑迪亚的新型熔融钠电池的工作温度要低得多,为110°C。

“降低电池温度可以节省大量成本。你可以用比较便宜的材料。电池需要更少的绝缘,连接所有电池的电线可以更薄,”首席研究员Leo Small说。

然而,他补充道,在550华氏度下工作的电池化学成分在230华氏度下不工作。在实现这种较低操作温度的主要创新中,有一项是他所称的阴极电解质的开发。阴极液是两种盐的液体混合物,在这种情况下是碘化钠和氯化镓。

碱性铅酸电池,通常用作汽车点火电池,它有一个铅板和一个中间有硫酸电解质的二氧化铅板。当电池释放能量时,铅板与硫酸反应,形成硫酸铅和电子。这些电子启动汽车并返回到电池的另一侧,在那里,二氧化铅板利用电子和硫酸形成硫酸铅和水。对于新型熔融钠电池,用液态金属钠代替铅极板,用碘化钠和少量氯化镓的液态混合物代替二氧化铅极板。

当能量从新电池中释放出来时,金属钠会产生钠离子和电子。另一边,电子把碘变成了碘离子。钠离子穿过一个特殊的陶瓷分离器到另一边,在那里他们与碘离子反应,形成熔融的碘化钠盐。电池的中间不是硫酸电解液,而是一种特殊的陶瓷隔膜,只能让钠离子左右移动,其他什么都不能。

在他们的新系统中,与锂离子电池不同的是,所有东西的两面都是液体。这意味着你不必处理材料发生复杂相变或解体的问题。这些液体电池的寿命不像其他电池那么有限。事实上,商用熔钠电池的使用寿命为10 - 15年,比标准的铅酸电池或锂离子电池要长。

桑迪亚的小型实验室碘化钠电池在烤箱中测试了8个月。在这8个月里,电池的充放电次数超过400次。由于新型冠状病毒感染症(COVID-19病毒)的扩散,实验暂停了一个月,并将熔化的钠和阴极液冷却到室温并冻结,但在加热电池后,仍能正常工作。这意味着,如果发生大规模的能源中断,就像今年2月在德克萨斯州发生的那样,碘化钠电池可以使用,然后冷却,直到冻结。一旦中断结束,它们就可以被加热、充电,并恢复正常运行,而无需漫长或昂贵的启动过程,也不会降解电池内部的化学物质。

碘化钠电池也更安全。“当电池内部出现故障时,锂离子电池可能会着火,导致过热。我们已经证明了电池的化学反应是不可能发生的。我们的电池,如果你把陶瓷分离器拿出来,让金属钠和盐混合,什么也不会发生。当然,电池会停止工作,但不会发生剧烈的化学反应或起火,”材料科学家埃里克·斯波尔克(Erik Spoerke)说。他从事熔融钠电池的研究已有十多年。

如果外部火灾吞没了碘化钠电池,电池很可能会破裂和失效,但它不应该火上浇油或引起钠火。此外,在3.6伏时,新的碘化钠电池的工作电压比商业熔融钠电池高40%。更高的电压导致更高的能量密度,这意味着未来用这种化学物质制造的电池将需要更少的电池,更少的电池之间的连接,存储相同电量的整体单位成本更低。

Small说,碘化钠电池项目的下一步是继续调整和改进阴极液的化学成分,以取代氯化镓成分。氯化镓非常昂贵,比食盐贵100多倍。

该团队还在进行各种工程调整,以使电池充放电更快、更充分。先前发现的一种加速电池充电的改进方法是在陶瓷分离器的熔融钠面涂上一层薄薄的锡。

Spoerke补充说,将碘化钠电池推向市场可能需要5到10年的时间,剩下的大部分挑战是商业化挑战,而不是技术挑战。