サンディア国立研究所の研究者は、グリッドスケールのエネルギー貯蔵用に新しいクラスの溶融ナトリウム電池を設計しました。 溶融ナトリウム電池は、ソーラーパネルや風力タービンなどの再生可能エネルギー源からのエネルギーを貯蔵するために長年使用されてきました。 ただし、ナトリウム硫黄電池と呼ばれる市販の溶融ナトリウム電池は、通常、華氏520〜660度で動作します。 サンディアの新しい溶融ヨウ化ナトリウムバッテリーは、代わりに華氏230度というはるかに低温で動作します。
「私たちは、溶融ナトリウム電池の動作温度を物理的に可能な限り低くするように取り組んできました」と、プロジェクトの主任研究員であるレオ・スモールは述べています。 「バッテリーの温度を下げることで、コストを大幅に節約できます。 より安価な材料を使用できます。 バッテリーは必要な絶縁が少なくて済み、すべてのバッテリーを接続する配線を大幅に細くすることができます。」
しかし、550度で機能するバッテリーの化学的性質は230度では機能しないと彼は付け加えました。 この低い作動温度を可能にした主要な革新の中には、彼が陰極液と呼ぶものの開発がありました。 陰極液は、XNUMXつの塩、この場合はヨウ化ナトリウムと塩化ガリウムの液体混合物です。
より良いバッテリーを作るための基本
自動車の点火バッテリーとして一般的に使用されている基本的な鉛蓄電池は、鉛プレートと、中央に硫酸電解質を備えた二酸化鉛プレートを備えています。 バッテリーからエネルギーが放出されると、鉛板が硫酸と反応して硫酸鉛と電子を形成します。 これらの電子は車を始動し、バッテリーの反対側に戻ります。そこで二酸化鉛プレートは電子と硫酸を使用して硫酸鉛と水を形成します。 新しい溶融ナトリウム電池の場合、鉛板は液体ナトリウム金属に置き換えられ、二酸化鉛板はヨウ化ナトリウムと少量の塩化ガリウムの液体混合物に置き換えられます、と働いている材料科学者のエリック・スポエルケは言いました溶融ナトリウム電池でXNUMX年以上。
新しいバッテリーからエネルギーが放電されると、ナトリウム金属はナトリウムイオンと電子を生成します。 一方、電子はヨウ素をヨウ化物イオンに変えます。 ナトリウムイオンはセパレーターを横切って反対側に移動し、そこでヨウ化物イオンと反応して溶融ヨウ化ナトリウム塩を形成します。 硫酸電解液の代わりに、バッテリーの中央は、ナトリウムイオンのみが左右に移動できるようにする特殊なセラミックセパレーターです。
「私たちのシステムでは、リチウムイオン電池とは異なり、すべてが両面で液体です」とSpoerke氏は述べています。 「つまり、材料が複雑な相変化を起こしたり、バラバラになったりするような問題に対処する必要がないということです。 それはすべて液体です。 基本的に、これらの液体ベースのバッテリーは、他の多くのバッテリーほど寿命が制限されていません。」
実際、市販の溶融ナトリウム電池の寿命は10〜15年で、標準の鉛蓄電池やリチウムイオン電池よりも大幅に長くなっています。
より安全で長持ちするバッテリー
サンディアの小型の実験室規模のヨウ化ナトリウムバッテリーは、オーブン内で400か月間テストされました。 過去XNUMX年間、実験室でのテストに携わってきたポスドクのマーサ・グロスは、このXNUMXか月間にXNUMX回以上バッテリーを充電および放電する実験を行いました。
COVID-19のパンデミックのため、彼らは実験をXNUMXか月間一時停止し、溶融ナトリウムと陰極液を室温まで冷まして凍結させなければならなかったと彼女は述べた。 グロスは、バッテリーを温めた後も機能することを喜んでいました。
これは、XNUMX月にテキサスで発生したような大規模なエネルギー破壊が発生した場合、ヨウ化ナトリウム電池を使用して、凍結するまで冷却できることを意味します。 中断が終わったら、それらはウォームアップされ、再充電され、通常の動作に戻ることができました。時間のかかる、またはコストのかかる起動プロセスがなく、バッテリーの内部化学が劣化することもありませんでした。
ヨウ化ナトリウム電池もより安全です。 Spoerke氏は、次のように述べています。「リチウムイオン電池は、電池内部に障害が発生すると発火し、電池の過熱が暴走します。 私たちは、バッテリーの化学的性質ではそれが起こり得ないことを証明しました。 私たちのバッテリーは、セラミックセパレーターを取り出して、ナトリウム金属を塩と混合させても、何も起こりません。 確かに、バッテリーは機能しなくなりますが、激しい化学反応や火災は発生しません。」
外火がヨウ化ナトリウム電池を飲み込んだ場合、電池が割れて故障する可能性がありますが、火に燃料を追加したり、ナトリウム火災を引き起こしたりするべきではない、とスモール氏は付け加えました。
さらに、3.6ボルトで、新しいヨウ化ナトリウムバッテリーの動作は40％高くなります 電圧 市販の溶融ナトリウム電池よりも。 この電圧はより高いエネルギー密度につながります、そしてそれはこの化学で作られた潜在的な将来のバッテリーがより少ないセル、セル間のより少ない接続、そして同じ量の電気を蓄えるための全体的に低いユニットコストを必要とすることを意味します、とスモールは言いました。
「この論文で報告している新しい陰極液のおかげで、システムにどれだけのエネルギーを詰め込むことができるかについて、私たちは本当に興奮していました」とグロス氏は付け加えました。 「溶融ナトリウム電池は何十年も前から存在しており、世界中にありますが、誰もそれらについて話しません。 したがって、温度を下げていくつかの数値を返し、「これは本当に、本当に実行可能なシステムです」と言うことができるのは、かなり素晴らしいことです。」
ヨウ化ナトリウム電池の未来
ヨウ化ナトリウム電池プロジェクトの次のステップは、塩化ガリウム成分を置き換えるために陰極液の化学的性質を調整および改良し続けることです、とスモール氏は言いました。 塩化ガリウムは非常に高価で、食卓塩の100倍以上も高価です。
チームはまた、バッテリーをより速く、より完全に充電および放電するためのさまざまなエンジニアリングの調整に取り組んでいる、とSpoerke氏は付け加えました。 バッテリーの充電を高速化するための以前に特定された変更のXNUMXつは、セラミックセパレーターの溶融ナトリウム側をスズの薄層でコーティングすることでした。
Spoerkeは、ヨウ化ナトリウム電池が市場に出るまでに10年からXNUMX年かかる可能性があり、残りの課題のほとんどは技術的な課題ではなく、商業化の課題であると付け加えました。
「これは、低温溶融ナトリウム電池の長期的で安定したサイクルの最初のデモンストレーションです」とSpoerke氏は述べています。 「私たちがまとめた魔法は、華氏230度で効果的に動作することを可能にする塩化学と電気化学を特定したことです。 この低温ヨウ化ナトリウム構成は、溶融ナトリウム電池を使用することの意味を再発明したものです。」
新しいナトリウム電池の開発は、エネルギー省のオフィスによってサポートされていました 電気 エネルギー貯蔵プログラム。