Исследователи из Sandia National Laboratories разработали новый класс расплавленных натриевых батарей для хранения энергии в масштабе энергосистемы. Батареи с расплавленным натрием уже много лет используются для хранения энергии из возобновляемых источников, таких как солнечные панели и ветряные турбины. Однако коммерчески доступные батареи с расплавленным натрием, называемые натриево-серными батареями, обычно работают при температуре 520-660 градусов по Фаренгейту. Вместо этого новая батарея с расплавленным йодидом натрия от Sandia работает при гораздо более низких температурах - 230 градусов по Фаренгейту.
«Мы работаем над тем, чтобы максимально снизить рабочую температуру расплавленных натриевых батарей», - сказал Лео Смолл, ведущий исследователь проекта. «Вместе со снижением температуры батареи происходит целая каскадная экономия средств. Можно использовать менее дорогие материалы. Батареям требуется меньшая изоляция, а проводка, соединяющая все батареи, может быть намного тоньше ».
Однако химический состав батареи, работающий при 550 градусах, не работает при 230 градусах, добавил он. Среди основных инноваций, которые позволили снизить рабочую температуру, была разработка того, что он называет католитом. Католит - это жидкая смесь двух солей, в данном случае йодида натрия и хлорида галлия.
Основы создания лучших батарей
Основная свинцово-кислотная батарея, обычно используемая в качестве аккумулятора зажигания автомобиля, имеет свинцовую пластину и пластину из диоксида свинца с сернокислотным электролитом в середине. Когда энергия разряжается от батареи, свинцовая пластина реагирует с серной кислотой с образованием сульфата свинца и электронов. Эти электроны заводят автомобиль и возвращаются на другую сторону батареи, где пластина из диоксида свинца использует электроны и серную кислоту для образования сульфата свинца и воды. В новой батарее с расплавленным натрием свинцовая пластина заменяется жидким металлическим натрием, а пластина из диоксида свинца заменяется жидкой смесью йодида натрия и небольшого количества хлорида галлия, сказал Эрик Сперк, ученый-материаловед, на расплавленных натриевых батареях более десяти лет.
Когда энергия разряжается от новой батареи, металлический натрий производит ионы и электроны натрия. С другой стороны, электроны превращают йод в иодид-ионы. Ионы натрия перемещаются через сепаратор на другую сторону, где они реагируют с ионами йодида с образованием расплавленной соли йодида натрия. Вместо сернокислотного электролита в середине батареи находится специальный керамический сепаратор, который позволяет перемещаться из стороны в сторону только ионам натрия и ничего больше.
«В нашей системе, в отличие от литий-ионного аккумулятора, все жидкое с двух сторон», - сказал Сперк. «Это означает, что нам не нужно иметь дело с такими проблемами, как материал, претерпевающий сложные фазовые изменения или разваливающийся на части; это все жидкое. По сути, у этих батарей на жидкой основе не такой ограниченный срок службы, как у многих других батарей ».
Фактически, коммерческие аккумуляторные батареи с расплавленным натрием имеют срок службы от 10 до 15 лет, что значительно дольше, чем стандартные свинцово-кислотные батареи или литий-ионные батареи.
Батареи с длительным сроком службы и безопаснее
Небольшая лабораторная батарея с йодистым натрием Sandia тестировалась в течение восьми месяцев в духовке. Марта Гросс, научный сотрудник, работавший над лабораторными испытаниями в течение последних двух лет, провела эксперименты по зарядке и разрядке аккумулятора более 400 раз за эти восемь месяцев.
По ее словам, из-за пандемии COVID-19 им пришлось приостановить эксперимент на месяц и дать расплавленному натрию и католиту остыть до комнатной температуры и замерзнуть. Гросса порадовало, что после прогрева аккумулятор все равно заработал.
Это означает, что если произойдет крупномасштабный сбой в энергоснабжении, как это произошло в Техасе в феврале, можно использовать натрий-йодидные батареи, а затем дать им остыть до замораживания. По словам Сперке, после того, как сбой закончился, их можно было нагреть, перезарядить и вернуть в нормальный режим работы без длительного или дорогостоящего процесса запуска и без ухудшения внутреннего химического состава батареи.
Батареи с йодистым натрием также более безопасны. Спирк сказал: «Литий-ионная батарея загорается при выходе из строя внутри батареи, что приводит к неконтролируемому перегреву батареи. Мы доказали, что этого не может быть с химическим составом наших батарей. Наша батарея, если вы вытащите керамический сепаратор и позволите металлическому натрию смешаться с солями, ничего не произойдет. Конечно, батарея перестает работать, но не происходит бурной химической реакции или возгорания ».
Если внешний огонь охватит иодид-натриевую батарею, вполне вероятно, что батарея треснет и выйдет из строя, но это не должно подливать масла в огонь или вызывать возгорание натрия, добавил Смолл.
Кроме того, при 3.6 В новая йодистая натриевая батарея имеет на 40% больше времени работы. напряжение чем коммерческая батарея с расплавленным натрием. Это напряжение приводит к более высокой плотности энергии, а это означает, что потенциальным будущим батареям, сделанным с использованием этой химии, потребуется меньше ячеек, меньше соединений между ячейками и общая более низкая стоимость единицы для хранения того же количества электроэнергии, сказал Смолл.
«Мы были очень взволнованы тем, сколько энергии мы потенциально можем втиснуть в систему из-за нового католита, о котором мы сообщаем в этой статье», - добавил Гросс. «Батареи с расплавленным натрием существуют уже несколько десятилетий, и они находятся по всему миру, но о них никто никогда не говорит. Так что возможность снизить температуру и вернуться с некоторыми числами и сказать: «Это действительно, действительно жизнеспособная система» - это довольно здорово ».
Будущее натрий-йодистых батарей
По словам Смолла, следующим шагом в проекте батарей иодида натрия является продолжение настройки и уточнения химического состава католита для замены компонента хлорида галлия. Хлорид галлия очень дорог, более чем в 100 раз дороже поваренной соли.
Команда также работает над различными инженерными хитростями, чтобы батарея заряжалась и разряжалась быстрее и полнее, добавил Спирк. Одна из ранее выявленных модификаций для ускорения зарядки аккумулятора заключалась в покрытии стороны расплавленного натрия керамического сепаратора тонким слоем олова.
Сперк добавил, что, вероятно, потребуется от пяти до 10 лет, чтобы вывести на рынок батареи с йодистым натрием, и большинство оставшихся проблем связаны с проблемами коммерциализации, а не техническими проблемами.
«Это первая демонстрация долгосрочной и стабильной работы низкотемпературной батареи с расплавленным натрием», - сказал Сперк. «Магия того, что мы собрали вместе, заключается в том, что мы определили химический состав солей и электрохимию, которые позволяют нам эффективно работать при температуре 230 градусов по Фаренгейту. Эта низкотемпературная конфигурация иодида натрия является своего рода переосмыслением того, что значит иметь батарею с расплавленным натрием ».
Разработка новой натриевой батареи была поддержана Управлением Министерства энергетики США. Электричество Программа накопления энергии.