鈉硫電池
通常情況下，鈉硫電池由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和外殼組成，與一般二次電池（鉛酸電池、鎳鎘電池等）不同，鈉硫電池是由熔融電極和固體電解質(zhì)組成，負(fù)極的活性物質(zhì)為熔融金屬鈉，正極活性物質(zhì)為液態(tài)硫和多硫化鈉熔鹽。
鈉硫電池（NaS）作為一種新型化學(xué)電源，自問(wèn)世以來(lái)已有了很大發(fā)展。鈉硫電池體積小、容量大、壽命長(zhǎng)、效率高，在電力儲(chǔ)能中廣泛應(yīng)用于削峰填谷、應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電等儲(chǔ)能方面。
鈉硫電池作用
鈉與硫就會(huì)通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，將電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)電網(wǎng)需要更多電能時(shí)，它又會(huì)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，釋放出去，鈉硫電池的“蓄洪”性能非常優(yōu)異，即使輸入的電流突然超過(guò)額定功率5-10倍，它也能泰然承受，再以穩(wěn)定的功率釋放到電網(wǎng)中——這對(duì)于大型城市電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行尤其有用。
太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源雖然潔凈，但發(fā)電功率很不穩(wěn)定。這會(huì)給整個(gè)電網(wǎng)帶來(lái)不期而至的“洪峰”。儲(chǔ)能電站會(huì)將這些“綠電”先照單全收，再根據(jù)電網(wǎng)需求輸出。
鈉硫電池是以Na-beta-氧化鋁（AL2O3）為電解質(zhì)和隔膜，并分別以金屬鈉和多硫化鈉為負(fù)極和正極的二次電池。鈉硫電池用于儲(chǔ)能具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在原材料和制備成本低、能量和功率密度大、效率高、不受場(chǎng)地限制、維護(hù)方便等方面。
鈉硫電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2010年上海世博會(huì)期間，在國(guó)家電網(wǎng)館人們會(huì)被一個(gè)高約半米的巨大電池所吸引，這樣一個(gè)電池就是由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所自行研制成功的鈉硫電池。鈉硫電池屬于中溫綠色二次電池，具有容量大、體積小、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn)，非常適合電力儲(chǔ)能。世博會(huì)上展出的鈉硫電池在充滿電后相當(dāng)于2250節(jié)普通AA型碳電池。如此有用的鈉硫電池的發(fā)現(xiàn)竟然源于一個(gè)有趣的“靈光一現(xiàn)”。怎么回事呢？聽我給大家講講。
1966年，福特汽車公司的韋伯、庫(kù)莫爾等人以及陶氏化學(xué)公司的鮑勃·海茨、威廉·布朗、查爾斯·萊文等人獨(dú)立發(fā)明了鈉硫電池。福特汽車公司的鈉硫電池采用β-氧化鋁作為固體電解質(zhì)，而陶氏的采用的是玻璃電解質(zhì)。查爾斯描述了他當(dāng)時(shí)在陶氏時(shí)發(fā)現(xiàn)鈉硫電池的經(jīng)歷。他當(dāng)時(shí)正在用超細(xì)中空纖維電解質(zhì)做氫氣燃料電池。在一個(gè)類似于多管鍋爐的結(jié)構(gòu)中，直徑在100—200微米的中空纖維纏在一起了，纖維的內(nèi)壁有金屬覆蓋，外壁是塑料化的。氫氣從管中流過(guò)，空氣從管外流過(guò)。但是當(dāng)他們最終決定電極中鉑催化劑的使用量時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)電池成本太高，在太空和軍事領(lǐng)域都沒(méi)有用了。于是他們想我們這個(gè)技術(shù)中間還有什么是有用的呢？他們的研究主管鮑勃·海茨提出我們能不能把這個(gè)纖維中間填滿鈉作為鈉電極呢？1964年的圣誕清晨，他們用Cu+-Cu2+作為陰極組裝出了第一個(gè)鈉電池。之后開始尋找合適的陰極材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的可逆。這時(shí)，威廉·布朗提出用硫，卻當(dāng)即就遭到質(zhì)疑。因?yàn)榱蚴且粋€(gè)近乎絕緣的材料，用它作為電極材料有些不可思議。然而，1965年一月末的一天，他們所做的鈉硫電池實(shí)現(xiàn)了可逆充放電！之后就有了鈉硫電池的長(zhǎng)足發(fā)展了?？梢?jiàn)一個(gè)看起來(lái)沒(méi)用的工作，也許會(huì)對(duì)其他領(lǐng)域有啟發(fā)呢！
那么現(xiàn)在我們看到的鈉硫電池的具體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造到底是怎樣的呢？讓我們一起來(lái)揭秘鈉硫電池的內(nèi)部核心吧。
鈉硫電池在一些方面不同與一般的電池。它采用的是固體電解質(zhì)和液態(tài)金屬負(fù)極材料。
一張圖看懂鈉硫電池
圖中右側(cè)所示的是鈉硫電池充放電過(guò)程中的電極反應(yīng)過(guò)程。放電時(shí)熔融鈉陽(yáng)極失電子變成鈉離子，鈉離子經(jīng)固體電解質(zhì)到達(dá)硫陰極形成多硫化鈉。電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極參與反應(yīng)。充電時(shí)鈉離子重新經(jīng)過(guò)電解質(zhì)回到陽(yáng)極，過(guò)程與放電時(shí)相反。放電深度不同，多硫化鈉的主要成分也不同。一般所說(shuō)的鈉硫電池的理論容量760Wh Kg-1是完全生成Na2S3來(lái)計(jì)算的。
圖中左側(cè)所示的是以鈉為芯的柱狀鈉硫電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。深灰色部分為固體電解質(zhì)，現(xiàn)在一般采用β’’-氧化鋁，它是一種有著氧化鋁骨架層和鈉離子導(dǎo)電層交錯(cuò)排列的晶格結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。固體電解質(zhì)是電池最重要的部分，承擔(dān)著傳導(dǎo)鈉離子和隔膜的雙重作用。中間的綠色部分是鈉陽(yáng)極，在電池工作溫度（300—350℃）下，呈熔融態(tài)。藍(lán)色部分為鈉極集流體，引出后作為負(fù)極終端。外部的橘色部分為硫和多硫化鈉陰極材料。由于硫的導(dǎo)電性不好，因此一般加入碳?xì)衷黾与姌O材料的導(dǎo)電性。紅色部分為硫極集流體，也同時(shí)作為電池外殼。因?yàn)槎嗔蚧c有較強(qiáng)的腐蝕性，所以一般采用抗腐蝕的不銹鋼作為電池外殼。
我們可以發(fā)現(xiàn)鈉硫電池所采用的電極材料都是比較輕的元素，而且整個(gè)電池沒(méi)有采用對(duì)環(huán)境有污染的材料，因此可以說(shuō)鈉硫電池是一個(gè)理想的綠色二次電源，在儲(chǔ)能和電動(dòng)車等領(lǐng)域很有潛力。