Onderzoekers van Sandia National Laboratories hebben een nieuwe klasse gesmolten-natriumbatterijen ontworpen voor energieopslag op rasterschaal. Gesmolten natriumbatterijen worden al jaren gebruikt om energie op te slaan uit hernieuwbare bronnen, zoals zonnepanelen en windturbines. In de handel verkrijgbare gesmolten natriumbatterijen, natriumzwavelbatterijen genaamd, werken echter meestal bij 520-660 graden Fahrenheit. Sandia's nieuwe gesmolten natriumjodide-batterij werkt in plaats daarvan op een veel koelere 230 graden Fahrenheit.
"We hebben gewerkt om de bedrijfstemperatuur van gesmolten natriumbatterijen zo laag mogelijk te maken", zegt Leo Small, de hoofdonderzoeker van het project. “Er zijn een hele reeks kostenbesparingen die gepaard gaan met het verlagen van de batterijtemperatuur. U kunt goedkopere materialen gebruiken. De batterijen hebben minder isolatie nodig en de bedrading die alle batterijen met elkaar verbindt, kan een stuk dunner zijn.”
De batterijchemie die werkt op 550 graden, werkt echter niet op 230 graden, voegde hij eraan toe. Een van de belangrijkste innovaties die deze lagere bedrijfstemperatuur mogelijk maakten, was de ontwikkeling van wat hij een katholiet noemt. Een katholiet is een vloeibaar mengsel van twee zouten, in dit geval natriumjodide en galliumchloride.
Basisprincipes van het bouwen van betere batterijen
Een standaard loodzuuraccu, die gewoonlijk wordt gebruikt als een auto-ontstekingsaccu, heeft een loodplaat en een looddioxideplaat met een zwavelzuurelektrolyt in het midden. Terwijl energie uit de batterij wordt ontladen, reageert de loodplaat met zwavelzuur om loodsulfaat en elektronen te vormen. Deze elektronen starten de auto en keren terug naar de andere kant van de batterij, waar de looddioxideplaat de elektronen en zwavelzuur gebruikt om loodsulfaat en water te vormen. Voor de nieuwe gesmolten-natriumbatterij wordt de loodplaat vervangen door vloeibaar natriummetaal en wordt de looddioxideplaat vervangen door een vloeibaar mengsel van natriumjodide en een kleine hoeveelheid galliumchloride, zei Erik Spoerke, een materiaalwetenschapper die heeft gewerkt op gesmolten natriumbatterijen voor meer dan een decennium.
Wanneer de energie van de nieuwe batterij wordt ontladen, produceert het natriummetaal natriumionen en elektronen. Aan de andere kant zetten de elektronen jodium om in jodide-ionen. De natriumionen bewegen over een separator naar de andere kant waar ze reageren met de jodide-ionen om gesmolten natriumjodidezout te vormen. In plaats van een zwavelzuurelektrolyt is het midden van de batterij een speciale keramische scheider die alleen natriumionen heen en weer laat bewegen, niets anders.
"In ons systeem is alles, in tegenstelling tot een lithium-ionbatterij, aan beide kanten vloeibaar", zegt Spoerke. “Dat betekent dat we niet te maken hebben met zaken als het materiaal dat complexe faseveranderingen ondergaat of uit elkaar valt; het is allemaal vloeibaar. Kortom, deze op vloeistof gebaseerde batterijen hebben niet zo'n beperkte levensduur als veel andere batterijen."
In feite hebben commerciële gesmolten-natriumbatterijen een levensduur van 10 tot 15 jaar, aanzienlijk langer dan standaard loodzuurbatterijen of lithium-ionbatterijen.
Batterijen met een lange levensduur die veiliger zijn
Sandia's kleine natriumjodidebatterij op laboratoriumschaal werd gedurende acht maanden in een oven getest. Martha Gross, een postdoctoraal onderzoeker die de afgelopen twee jaar aan de laboratoriumtests heeft gewerkt, voerde experimenten uit waarbij de batterij in die acht maanden meer dan 400 keer werd opgeladen en ontladen.
Vanwege de COVID-19-pandemie moesten ze het experiment een maand pauzeren en het gesmolten natrium en de katholiet laten afkoelen tot kamertemperatuur en bevriezen, zei ze. Gross was blij dat hij na het opwarmen van de batterij nog steeds werkte.
Dit betekent dat als zich een grootschalige energiestoring zou voordoen, zoals in februari in Texas, de natriumjodidebatterijen kunnen worden gebruikt en vervolgens kunnen worden afgekoeld tot ze bevroren zijn. Zodra de verstoring voorbij was, konden ze worden opgewarmd, opgeladen en weer normaal worden gebruikt zonder een langdurig of kostbaar opstartproces en zonder degradatie van de interne chemie van de batterij, voegde Spoerke eraan toe.
Natriumjodidebatterijen zijn ook veiliger. Spoerke zei: "Een lithium-ionbatterij vat vlam wanneer er een storing is in de batterij, wat leidt tot oververhitting van de batterij. We hebben bewezen dat dat niet kan met onze batterijchemie. Onze batterij, als je de keramische afscheider eruit zou halen en het natriummetaal zou mengen met de zouten, gebeurt er niets. Zeker, de batterij werkt niet meer, maar er is geen gewelddadige chemische reactie of brand.”
Als een buitenbrand een natriumjodide-batterij overspoelt, is het waarschijnlijk dat de batterij zal barsten en defect raakt, maar het mag geen brandstof toevoegen aan het vuur of een natriumbrand veroorzaken, voegde Small eraan toe.
Bovendien heeft de nieuwe natriumjodide-batterij bij 3.6 volt een 40% hogere operationele spanning dan een commerciële gesmolten natriumbatterij. Deze spanning leidt tot een hogere energiedichtheid, en dat betekent dat potentiële toekomstige batterijen die met deze chemie worden gemaakt, minder cellen, minder verbindingen tussen cellen en een algehele lagere eenheidskosten nodig hebben om dezelfde hoeveelheid elektriciteit op te slaan, zei Small.
"We waren erg enthousiast over hoeveel energie we mogelijk in het systeem zouden kunnen proppen vanwege de nieuwe katholiet die we in dit artikel rapporteren," voegde Gross eraan toe. “Gesmolten natriumbatterijen bestaan al tientallen jaren, en ze zijn over de hele wereld, maar niemand praat er ooit over. Dus de mogelijkheid om de temperatuur te verlagen en met wat cijfers terug te komen en te zeggen: 'dit is een echt, echt levensvatbaar systeem' is best netjes."
De toekomst van natriumjodidebatterijen
De volgende stap voor het natriumjodide-batterijproject is om door te gaan met het afstemmen en verfijnen van de katholietchemie om de galliumchloridecomponent te vervangen, zei Small. Galliumchloride is erg duur, meer dan 100 keer zo duur als keukenzout.
Het team werkt ook aan verschillende technische aanpassingen om de batterij sneller en vollediger te laten opladen en ontladen, voegde Spoerke eraan toe. Een eerder geïdentificeerde modificatie om het opladen van de batterij te versnellen, was om de gesmolten natriumzijde van de keramische separator te coaten met een dunne laag tin.
Spoerke voegde eraan toe dat het waarschijnlijk vijf tot tien jaar zou duren om natriumjodidebatterijen op de markt te krijgen, waarbij de meeste van de resterende uitdagingen commercialiseringsuitdagingen zijn in plaats van technische uitdagingen.
"Dit is de eerste demonstratie van langdurige, stabiele cycli van een gesmolten-natriumbatterij bij lage temperatuur", zei Spoerke. "De magie van wat we hebben samengesteld, is dat we zoutchemie en elektrochemie hebben geïdentificeerd waarmee we effectief kunnen werken bij 230 graden Fahrenheit. Deze natriumjodide-configuratie bij lage temperatuur is een soort heruitvinding van wat het betekent om een batterij met gesmolten natrium te hebben.”
De ontwikkeling van de nieuwe natriumbatterij werd ondersteund door het Department of Energy's Office of Elektriciteit Energieopslagprogramma.