Sandia National Laboratories의 연구원들은 그리드 규모의 에너지 저장을 위한 새로운 종류의 용융 나트륨 배터리를 설계했습니다. 용융 나트륨 배터리는 태양 전지 패널 및 풍력 터빈과 같은 재생 가능한 소스의 에너지를 저장하는 데 수년 동안 사용되었습니다. 그러나 나트륨-황 배터리라고 하는 상업적으로 이용 가능한 용융 나트륨 배터리는 일반적으로 화씨 520-660도에서 작동합니다. Sandia의 새로운 용융 요오드화 나트륨 배터리는 화씨 230도에서 훨씬 더 낮은 온도에서 작동합니다.
"우리는 용융 나트륨 배터리의 작동 온도를 물리적으로 가능한 한 낮추기 위해 노력해 왔습니다."라고 프로젝트의 수석 연구원인 Leo Small이 말했습니다. “배터리 온도를 낮추는 것과 함께 전체 계단식 비용 절감 효과가 있습니다. 더 저렴한 재료를 사용할 수 있습니다. 배터리는 절연이 덜 필요하고 모든 배터리를 연결하는 배선은 훨씬 더 얇을 수 있습니다.”
그러나 550도에서 작동하는 배터리 화학은 230도에서 작동하지 않는다고 그는 덧붙였다. 이렇게 낮은 작동 온도를 가능하게 한 주요 혁신 중 하나는 그가 음극액이라고 부르는 개발이었습니다. 음극액은 두 가지 염(이 경우 요오드화나트륨과 염화갈륨)의 액체 혼합물입니다.
더 나은 배터리를 만들기 위한 기본 사항
자동차 점화용 배터리로 많이 사용되는 기본 납축전지는 납판과 이산화납판이 중간에 황산 전해질을 포함하고 있다. 배터리에서 에너지가 방전됨에 따라 납판은 황산과 반응하여 황산납과 전자를 형성합니다. 이 전자는 자동차의 시동을 걸고 배터리의 반대쪽으로 돌아갑니다. 여기에서 이산화납 판은 전자와 황산을 사용하여 황산납과 물을 형성합니다. 새로운 용융 나트륨 배터리의 경우 납 판은 액체 나트륨 금속으로 대체되고 이산화 납 판은 요오드화 나트륨과 소량의 염화 갈륨의 액체 혼합물로 대체된다고 재료 과학자인 Erik Spoerke가 말했습니다. XNUMX년 이상 동안 용융 나트륨 배터리에
새 배터리에서 에너지가 방전되면 나트륨 금속은 나트륨 이온과 전자를 생성합니다. 다른 한편으로, 전자는 요오드를 요오드화물 이온으로 바꿉니다. 나트륨 이온은 분리기를 가로질러 다른 쪽으로 이동하여 요오드화물 이온과 반응하여 용융된 요오드화물 염을 형성합니다. 배터리 중앙에는 황산 전해질 대신 나트륨 이온만 좌우로 이동할 수 있는 특수 세라믹 분리막이 있습니다.
"우리 시스템에서는 리튬 이온 배터리와 달리 양면이 모두 액체입니다."라고 Spoerke가 말했습니다. “즉, 복잡한 상 변화를 겪거나 분해되는 재료와 같은 문제를 처리할 필요가 없습니다. 그것은 모두 액체입니다. 기본적으로 이러한 액체 기반 배터리는 다른 많은 배터리만큼 수명이 제한되어 있지 않습니다.”
실제로 상업용 용융 나트륨 배터리의 수명은 10~15년으로 표준 납산 배터리나 리튬 이온 배터리보다 훨씬 더 깁니다.
더 안전한 오래가는 배터리
Sandia의 작은 실험실 규모의 요오드화나트륨 배터리는 오븐 안에서 400개월 동안 테스트되었습니다. 지난 XNUMX년 동안 실험실 테스트를 수행한 박사후 연구원인 마사 그로스(Martha Gross)는 XNUMX개월 동안 XNUMX번이 넘는 배터리 충전 및 방전 실험을 수행했습니다.
COVID-19 대유행 때문에 한 달 동안 실험을 중단하고 용융된 나트륨과 음극액을 실온으로 냉각시키고 동결시켜야 했습니다. Gross는 배터리를 예열한 후에도 여전히 작동한다는 사실에 만족했습니다.
이는 XNUMX월 텍사스에서 발생한 것과 같이 대규모 에너지 중단이 발생하면 요오드화나트륨 배터리를 사용한 다음 동결될 때까지 냉각할 수 있음을 의미합니다. 중단이 끝나면 시간이 오래 걸리거나 비용이 많이 드는 시작 프로세스 없이 배터리 내부 화학 물질의 저하 없이 워밍업, 재충전 및 정상 작동으로 돌아갈 수 있다고 Spoerke는 덧붙였습니다.
요오드화나트륨 배터리도 더 안전합니다. Spoerke는 "리튬 이온 배터리는 배터리 내부에 장애가 발생하면 불이 붙고 배터리가 폭주하는 과열로 이어집니다. 우리는 배터리 화학으로 일어날 수 없다는 것을 증명했습니다. 우리 배터리, 세라믹 분리막을 꺼내고 나트륨 금속이 염과 섞이도록 놔두면 아무 일도 일어나지 않습니다. 물론 배터리는 작동을 멈추지만 격렬한 화학 반응이나 화재는 없습니다.”
외부 화재가 요오드화 나트륨 배터리를 집어삼킬 경우 배터리가 깨져 고장날 가능성이 있지만 화재에 연료를 추가하거나 나트륨 화재를 일으키지 않아야 한다고 Small은 덧붙였습니다.
또한 새로운 요오드화나트륨 배터리는 3.6볼트에서 40% 더 높은 작동 성능을 제공합니다. 전압 상업용 용융 나트륨 배터리보다 이 전압은 더 높은 에너지 밀도를 가져오며, 이는 이 화학 물질로 만들어진 잠재적인 미래 배터리가 더 적은 수의 전지, 전지 간의 더 적은 연결 및 동일한 양의 전기를 저장하기 위해 더 적은 단위 비용을 필요로 한다는 것을 의미한다고 Small은 말했습니다.
Gross는 "이 백서에서 보고하는 새로운 음극액으로 인해 잠재적으로 시스템에 얼마나 많은 에너지를 쏟아부을 수 있는지에 대해 매우 기뻤습니다."라고 덧붙였습니다. “녹은 나트륨 배터리는 수십 년 동안 존재했으며 전 세계에 걸쳐 있지만 아무도 이에 대해 이야기하지 않습니다. 따라서 온도를 낮추고 몇 가지 숫자로 돌아와서 '이것은 정말, 정말 실행 가능한 시스템입니다'라고 말할 수 있는 것은 꽤 깔끔합니다.”
요오드화나트륨 배터리의 미래
요오드화나트륨 배터리 프로젝트의 다음 단계는 염화갈륨 성분을 대체하기 위해 음극액 화학을 계속 조정하고 정제하는 것이라고 Small은 말했습니다. 염화갈륨은 식염보다 100배 이상 비쌉니다.
팀은 또한 배터리가 더 빠르고 완전하게 충전 및 방전되도록 다양한 엔지니어링 조정 작업을 하고 있다고 Spoerke가 덧붙였습니다. 배터리 충전 속도를 높이기 위해 이전에 확인된 수정 사항 중 하나는 세라믹 분리막의 용융 나트륨 면을 주석 박막으로 코팅하는 것이었습니다.
Spoerke는 요오드화나트륨 배터리를 시장에 출시하는 데 10년에서 XNUMX년이 걸릴 것이라고 덧붙였습니다. 나머지 대부분의 과제는 기술적인 문제가 아니라 상업화의 문제입니다.
"이것은 저온 용융 나트륨 배터리의 장기적이고 안정적인 사이클링에 대한 첫 번째 시연입니다."라고 Spoerke가 말했습니다. “우리가 조합한 것의 마법은 화씨 230도에서 효과적으로 작동할 수 있는 소금 화학과 전기 화학을 식별했다는 것입니다. 이 저온 요오드화나트륨 구성은 용융된 나트륨 배터리를 갖는 것을 의미하는 일종의 재발명입니다.”
새로운 나트륨 배터리의 개발은 에너지부 산하 사무국의 지원을 받았습니다. 전기 에너지 저장 프로그램.