桑迪亞國家實驗室的研究人員為電網規模的能源儲存設計了一類新的熔融鈉電池。今天發表在科學雜志《細胞報告物理科學》上的一篇論文中分享了新的電池設計。

熔融鈉電池已被用于儲存來自可再生資源的能量多年，如太陽能電池板和風力渦輪機。然而，商業上可用的熔融鈉電池，稱為鈉硫電池，通常在華氏520-660度下運行。桑迪亞的新熔融鈉碘電池則在更冷的230華氏度下運行。

該項目的首席研究員LeoSmall說："我們一直在努力將熔融鈉電池的工作溫度降到物理上可能的最低點。隨著電池溫度的降低，會有一連串的成本節約。你可以使用更昂貴的材料。電池需要更少的絕緣材料，連接所有電池的線路可以薄很多。"

然而，他補充說，在550度下工作的電池化學成分在230度下并不工作。允許這種較低工作溫度的主要創新之一是開發了他稱之為陰離子的東西。陰離子是兩種鹽的液體混合物，在這種情況下是碘化鈉和氯化鎵。

建造更好的電池的基礎知識

一個基本的鉛酸電池，通常用作汽車點火電池，有一個鉛板和一個二氧化鉛板，中間是硫酸電解質。當能量從電池中放出時，鉛板與硫酸反應，形成硫酸鉛和電子。這些電子啟動汽車并返回到電池的另一側，在那里，二氧化鉛板利用電子和硫酸形成硫酸鉛和水。在新的熔融鈉電池中，鉛板被液態金屬鈉取代，而二氧化鉛板被碘化鈉和少量氯化鎵的液體混合物取代。

當能量從新電池中放出時，金屬鈉產生鈉離子和電子。在另一邊，電子將碘變成碘化物離子。鈉離子穿過分離器移動到另一側，在那里與碘離子反應，形成熔化的碘化鈉鹽。電池的中間是一個特殊的陶瓷分離器，而不是硫酸電解質，它只允許鈉離子從一側移動到另一側，沒有其他東西。

"在我們的系統中，與鋰離子電池不同，所有的東西在兩邊都是液體，這意味著我們不需要處理材料發生復雜的相變或分崩離析等問題，它都是液體。基本上，這些基于液體的電池不像許多其他電池那樣具有有限的壽命。"Spoerke說。

事實上，商用熔融鈉電池的壽命為10至15年，明顯長于標準鉛酸電池或鋰離子電池。

更安全的長效電池

桑迪亞的小型實驗室規模的碘化鈉電池在一個烤箱內進行了八個月的測試。過去兩年從事實驗室測試的博士后研究員MarthaGross在這八個月中對電池進行了400多次充電和放電的實驗。

桑迪亞國家實驗室研究人員LeoSmall（后排右）和ErikSpoerke（后排左）在觀察，前排的MarthaGross在氬氣手套箱中為他們的實驗室規模的碘化鈉電池工作。這種新的熔融鈉電池可能被證明是一種用于電網規模儲能的溫度較低、成本較低的電池。來源：蘭迪-蒙托亞/桑迪亞國家實驗室

她說，由于新冠肺炎的大流行，他們不得不暫停實驗一個月，讓熔融鈉和電解質冷卻到室溫并凍結。格羅斯很高興，在將電池升溫后，它仍然可以工作。

這意味著，如果發生大規模的能源中斷，就像2月份在德克薩斯州發生的那樣，可以使用碘化鈉電池，然后讓其冷卻直至凍結。一旦中斷結束，它們就可以升溫、充電并恢復正常運行，不需要漫長或昂貴的啟動過程，也不會使電池的內部化學成分退化。

碘化鈉電池也更安全。Spoerke說："當電池內部出現故障時，鋰離子電池就會起火，導致電池過熱失控。我們已經證明，我們的電池化學特性不會發生這種情況。我們的電池，如果你把陶瓷分離器拿出來，讓金屬鈉與鹽類混合，什么也不會發生。當然，電池會停止工作，但不會有激烈的化學反應或火災。”

Small補充說，如果外部火災吞噬了鈉碘電池，電池很可能會破裂和失效，但它不應該給火災添加燃料或引起鈉的火災。

此外，在3.6伏的電壓下，新的碘化鈉電池的工作電壓比商用熔融鈉電池高40%。這種電壓導致了更高的能量密度，這意味著未來用這種化學成分制造的潛在電池將需要更少的電池，電池之間的連接更少，并且整體上更低的單位成本來存儲相同數量的電力。

格羅斯補充說："由于我們在這篇論文中報告了新的電解質，我們對我們能夠在系統中潛在地塞進多少能量感到非常興奮。熔融鈉電池已經存在了幾十年，它們遍布全球，但從來沒有人談論過它們。因此，能夠降低溫度并帶回一些數字，并說'這是一個非常、非常可行的系統'是非常棒的。"

碘化鈉電池的未來

Small說碘化鈉電池項目的下一步是繼續調整和完善陰離子化學，以取代氯化鎵成分。氯化鎵非常昂貴，是食鹽的100多倍。

目前該團隊還在進行各種工程調整，以使電池能夠更快更充分地充電和放電。之前確定的一項加快電池充電速度的修改是在陶瓷分離器的熔融鈉一側涂上一層薄薄的錫。

Spoerke認為將碘化鈉電池推向市場可能需要5到10年時間，剩下的大部分挑戰是商業化挑戰，而不是技術挑戰。

Spoerke說："這是第一次展示低溫熔融鈉電池的長期、穩定循環。我們所做的事情的神奇之處在于，我們已經確定了鹽的化學和電化學，使我們能夠在230華氏度下有效地運行。這種低溫鈉-碘配置有點像對熔融鈉電池的意義的重塑。"