Батареи натрий-сера представляет собой тип расплавленной солевой батареи изготовлен из жидкого натрия (Na) и серы (S). [1] [2] Батареи этого типа обладают высокой плотностью энергии , высокой эффективностью заряда / разряда [3] и длительным сроком службы , и изготовлены из недорогих материалов. Рабочие температуры от 300 до 350 ° С и высокой коррозионной природы натрия полисульфидов , в первую очередь сделать их пригодными для стационарных применений хранения энергии. С увеличением размера ячейка становится более экономичной.
Строительство
Типичные батареи имеют мембрану из твердого электролита между анодом и катодом , по сравнению с жидкометаллическими батареями, где анод, катод и мембрана являются жидкостями. [2]
Клеток , как правило , выполнен в виде цилиндрической конфигурации. Вся ячейка окружена стальным кожухом, который защищен, обычно хромом и молибденом , от коррозии изнутри. Этот внешний контейнер служит положительным электродом, а жидкий натрий - отрицательным электродом. Сверху емкость закрывается герметичной крышкой из оксида алюминия . Важной частью ячейки является наличие мембраны BASE ( твердый электролит из бета-оксида алюминия ), которая избирательно проводит Na + . В коммерческих приложениях ячейки расположены в виде блоков для лучшего сохранения тепла и заключены в коробку с вакуумной изоляцией.
Операция
Во время фазы разряда расплавленный элементарный натрий в сердечнике служит анодом , а это означает, что Na отдает электроны внешней цепи. Натрий отделяется цилиндром с твердым электролитом из бета-оксида алюминия (BASE) от емкости с расплавленной серой, которая изготовлена из инертного металла, служащего катодом . Сера абсорбируется угольной губкой.
BASE является хорошим проводником ионов натрия при температуре выше 250 ° C, но плохим проводником электронов и, таким образом, предотвращает саморазряд. Металлический натрий не полностью смачивает ОСНОВУ при температуре ниже 400 ° C из-за слоя оксида (ов), разделяющего их; эту температуру можно снизить до 300 ° C, покрывая ОСНОВУ определенными металлами и / или добавляя газопоглотители кислорода к натрию, но даже в этом случае смачивание не удастся ниже 200 ° C. [4]
Когда натрий испускает электрон , ион Na + мигрирует в контейнер для серы. Электрон пропускает электрический ток через расплавленный натрий к контакту, через электрическую нагрузку и обратно к контейнеру с серой. Здесь другой электрон реагирует с серой с образованием S n 2- , полисульфида натрия . Процесс разряда можно представить следующим образом:
- 2 Na + 4 S → Na 2 S 4 (Е ячейка ~ 2 В)
По мере разряда клетки уровень натрия падает. Во время фазы зарядки происходит обратный процесс. Во время работы тепла, выделяемого при циклах зарядки и разрядки, достаточно для поддержания рабочих температур, и обычно внешний источник не требуется. [5]
Безопасность
Чистый натрий представляет опасность, потому что он самопроизвольно горит при контакте с воздухом и влагой, поэтому систему необходимо защищать от воды и окислительной атмосферы.
Пожар на заводе в Цукубе, 2011 г.
Рано утром 21 сентября 2011 года загорелась система аккумуляторов NaS мощностью 2000 киловатт, производимая NGK , принадлежащая Tokyo Electric Power Company, используемая для хранения электроэнергии и установленная на заводе Mitsubishi Materials Corporation в Цукубе, Япония . После инцидента NGK временно приостановила производство аккумуляторов NaS. [6]
Разработка
Соединенные Штаты
Компания Ford Motor впервые применила аккумуляторную батарею в 1960-х годах для установки на электромобили ранних моделей . [7]
По состоянию на 2009 год[Обновить], более низкотемпературная версия твердого электрода разрабатывалась в штате Юта компанией Ceramatec . В них используется мембрана NASICON, позволяющая работать при 90 ° C, при этом все компоненты остаются твердыми. [8] [9]
В 2014 году исследователи определили жидкий натрий-цезиевый сплав, который работает при 150 ° C и производит 420 миллиампер- часов на грамм. Материал полностью покрывает («смачивает») электролит. После 100 циклов зарядки / разрядки тестовая батарея сохранила около 97% своей первоначальной емкости. Более низкая рабочая температура позволила использовать менее дорогой полимерный внешний кожух вместо стали, что частично компенсировало увеличение затрат, связанных с использованием цезия. [4] [10]
Япония
Батарея NaS была одним из четырех типов батарей, выбранных в качестве кандидатов для интенсивного исследования MITI в рамках «Проекта лунного света» в 1980 году. Этот проект был направлен на разработку долговечного устройства накопления энергии, отвечающего критериям, указанным ниже, в 10-летнем проекте .
- Класс 1000 кВт
- 8 часов зарядки / 8 часов разрядки при номинальной нагрузке
- КПД 70% или выше
- Срок службы 1500 циклов или лучше
Остальные три были улучшенными свинцово-кислотными , окислительно-восстановительными батареями (ванадиевого типа) и бромисто-цинковыми батареями .
Консорциум, образованный TEPCO ( Tokyo Electric Power Co.) и NGK ( NGK Insulators Ltd.), объявил о своей заинтересованности в исследовании NaS-батареи в 1983 году и с тех пор стал основным двигателем развития этого типа. Компания TEPCO выбрала NaS-батарею, потому что все ее составляющие (натрий, сера и керамика) широко распространены в Японии. Первые крупномасштабные полевые испытания были проведены на подстанции TEPCO в Цунашиме в период с 1993 по 1996 год с использованием батарейных блоков 3 x 2 МВт, 6,6 кВ. На основе результатов этого испытания были разработаны улучшенные аккумуляторные модули, которые стали коммерчески доступными в 2000 году. Коммерческий банк аккумуляторов NaS предлагает: [11]
- Мощность: 25–250 кВтч на банк.
- КПД 87%
- Срок службы 2500 циклов при 100% глубине разряда (DOD) или 4500 циклов при 80% DOD
В демонстрационном проекте использовалась батарея NaS в ветропарке Miura Wind Park компании Japan Wind Development Co. в Японии. [12]
В мае 2008 года компания Japan Wind Development открыла ветряную электростанцию мощностью 51 МВт, которая включает в себя систему натриево-серных батарей мощностью 34 МВт, в Футамате в префектуре Аомори в мае 2008 года [13].
По состоянию на 2007 год в Японии было установлено 165 МВт мощности. В 2008 году NGK объявила о плане увеличения мощности завода NaS с 90 МВт в год до 150 МВт в год. [14]
В 2010 году Xcel Energy объявила, что будет тестировать аккумуляторную батарею энергии ветряной электростанции на основе двадцати натрий-серных батарей мощностью 50 кВт. Ожидается, что 80-тонная батарея размером с 2 полуприцепа будет иметь мощность 7,2 МВт · ч при мощности заряда и разряда 1 МВт. [15] С тех пор NGK объявила о нескольких крупномасштабных развертываниях, включая виртуальную установку, распределенную на 10 площадках в ОАЭ, общей мощностью 108 МВт / 648 МВтч в 2019 году. [16]
В марте 2011 года Sumitomo Electric Industries и Киотский университет объявили, что они разработали низкотемпературную ионно-натриевую батарею, которая может выдавать мощность при температуре ниже 100 ° C. Батареи имеют удвоенную плотность энергии по сравнению с литий-ионными батареями и значительно дешевле. Генеральный директор Sumitomo Electric Industry Масаеши Мацумото сообщил, что компания планирует начать производство в 2015 году. Предполагается, что первыми приложениями будут здания и автобусы. [17] [ неудачная проверка ]
Вызовы
Было обнаружено, что коррозия изоляторов представляет собой проблему в агрессивной химической среде, поскольку они постепенно становились проводящими, и скорость саморазряда увеличивалась. Рост дендритов натрия также может быть проблемой.
Приложения
Грид и автономные системы
Батареи NaS могут быть развернуты для поддержки электросети или для автономных возобновляемых источников энергии [18] . В некоторых рыночных условиях батареи NaS обеспечивают ценность за счет энергетического арбитража (зарядка батареи, когда электричество в изобилии / дешево, и разрядка в сеть, когда электричество более ценно) и регулирования напряжения . [19] NaS-аккумуляторы - это возможная технология хранения энергии для поддержки производства возобновляемой энергии, особенно ветряных электростанций и солнечных электростанций. В случае ветряной электростанции батарея будет накапливать энергию во время сильного ветра, но с низким энергопотреблением. Эта накопленная энергия затем может быть разряжена из батарей в периоды пиковой нагрузки . В дополнение к такому переключению мощности можно использовать натриево-серные батареи для помощи в стабилизации выходной мощности ветряной электростанции во время колебаний ветра. Эти типы батарей представляют собой вариант для хранения энергии в местах, где другие варианты хранения невозможны. Например, гидроаккумулирующие установки требуют значительных площадей и водных ресурсов, в то время как для хранения энергии на сжатом воздухе ( CAES ) требуются некоторые геологические объекты, такие как соляная пещера. [20]
В 2016 году Mitsubishi Electric Corporation ввела в эксплуатацию крупнейшую в мире натриево-серную батарею в префектуре Фукуока , Япония. Объект предлагает хранилище энергии, чтобы помочь управлять уровнями энергии в часы пик с использованием возобновляемых источников энергии. [21] [22]
Космос
Из-за своей высокой плотности энергии батарея NaS была предложена для использования в космосе. [23] [24] Натриево-серные элементы могут быть пригодны для использования в космосе: на самом деле испытательный натриево-серный элемент летал на космическом шаттле . В летном эксперименте NaS была продемонстрирована батарея с удельной энергией 150 Вт · ч / кг (3-кратная удельная энергия никель-водородной батареи), работающая при 350 ° C. Он был запущен в ходе миссии STS-87 в ноябре 1997 года и продемонстрировал 10 суток экспериментальной эксплуатации. [25]
Венера Landsailing Rover концепция миссии также рассматривает возможность использования этого типа батареи, так как ровер и его полезной нагрузки проектируются функционировать в течение 50 дней на горячей поверхности Венеры без системы охлаждения. [26] [27]
Транспорт и тяжелая техника
Первое крупномасштабное использование натрий-серных батарей было в демонстрационном автомобиле Ford "Ecostar" [28] , прототипе электромобиля в 1991 году. Однако высокая рабочая температура натриево-серных батарей создала трудности для использования электромобилей. Ecostar так и не пошел в производство.
Смотрите также
- Список типов батарей
- Литий-серная батарея
- Батарея расплавленной соли
Рекомендации
- ^ Вен, З .; Hu, Y .; Wu, X .; Han, J .; Гу, З. (2013). «Основные проблемы для высокопроизводительных аккумуляторов NAS: материалы и интерфейсы». Современные функциональные материалы . 23 (8): 1005. DOI : 10.1002 / adfm.201200473 .
- ^ а б Блэнд, Эрик (2009-03-26). «Переливающиеся батареи могут хранить зеленую энергию» . MSNBC . Новости открытия. Архивировано из оригинала на 2009-03-28 . Проверено 12 апреля 2010 .
- ^ Hameer, S .; Niekerk, J .; и другие. (2015). «Обзор масштабных накопителей электроэнергии». Int. J. Energy Res . 39 (9): 1179–1195. DOI : 10.1002 / er.3294 .
- ^ а б Лу, X .; Li, G .; Ким, JY; Mei, D .; Lemmon, JP; Sprenkle, VL; Лю, Дж. (2014). «Жидкометаллический электрод для создания сверхнизкотемпературных натрий-бета-оксидно-алюминиевых батарей для хранения возобновляемой энергии» . Nature Communications . 5 : 4578. Bibcode : 2014NatCo ... 5.4578L . DOI : 10.1038 / ncomms5578 . PMID 25081362 .
- ^ Осима, Т .; Kajita, M .; Окуно, А. (2005). «Разработка натриево-серных батарей». Международный журнал прикладных керамических технологий . 1 (3): 269. DOI : 10.1111 / j.1744-7402.2004.tb00179.x .
- ^ «Вопросы и ответы относительно возгорания батареи NAS» . Возникновение пожара батареи NAS и меры реагирования . NGK Изоляторы, Ltd. Архивировано из оригинала на 2012-10-28 . Проверено 26 июня 2014 .
- ^ Дэвидсон, Пол (2007-07-05). «Новые аккумуляторы мощный удар» . USA Today .
- ^ «Новая батарея может изменить мир, дом за домом» . Блог Ammiraglio61 . 2010-01-15 . Проверено 26 июня 2014 .
- ^ «Домашний накопитель энергии Ceramatec» . Американское керамическое общество. Сентябрь 2009 . Проверено 26 июня 2014 .
- ^ «PNNL: Новости -« Разогрев »аппетит батареи к возобновляемым источникам энергии» . www.pnnl.gov . 1 августа 2014 . Проверено 25 июня 2016 .
- ^ (Японский) . ulvac-uc.co.jp
- ^ jfs (23 сентября 2007 г.). «Испытательная система японских компаний для стабилизации выработки энергии ветра» . Япония за устойчивость . Проверено 12 апреля 2010 .
- ^ "Могут ли батареи спасти энергию ветра в боевой готовности?" Архивировано 27 сентября 2011 годана Wayback Machine Хироки Йомогита, 2008 год.
- ^ 2008 год | ニ ュ ー ス | 日本 ガ イ シ 株式会社(на японском). Ngk.co.jp. 2008-07-28. Архивировано из оригинала на 2010-03-23 . Проверено 12 апреля 2010 .
- ^ «Xcel Energy для испытания системы накопления энергии ветра» . BusinessGreen. 4 марта 2008 . Проверено 12 апреля 2010 .
- ^ «Самый большой в мире« завод виртуальных аккумуляторов »сейчас работает в Аравийской пустыне» . Кварц . 30 янв 2019.
- ^ «Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд.» - пресс-релиз (2014 г.) Разработка «sEMSA», новой системы управления энергопотреблением для предприятий / предприятий » . global-sei.com .
- ^ «Аквион Энерджи построит на Гавайях микросетевую аккумуляторную систему» .
- ^ Walawalkar, R .; Apt, J .; Манчини, Р. (2007). «Экономика хранения электроэнергии для энергетического арбитража и регулирования в Нью-Йорке». Энергетическая политика . 35 (4): 2558. DOI : 10.1016 / j.enpol.2006.09.005 .
- ^ Шталькопф, Карл (июнь 2006 г.). "Принимая ветер мейнстрим" . IEEE Spectrum . Проверено 12 апреля 2010 .
- ^ «Mitsubishi устанавливает систему хранения энергии мощностью 50 МВт для японской энергетической компании» . 11 марта 2016 . Проверено 22 января 2020 года .
Объект предлагает возможности хранения энергии, аналогичные тем, которые используются в гидроаккумулирующих установках, при этом помогая улучшить баланс спроса и предложения.
- ^ «Самый большой в мире натрий-серный ESS, развернутый в Японии» . 3 марта 2016 . Проверено 22 января 2020 года .
- ^ Кениг, AA; Расмуссен, младший (1990). «Разработка натриево-серной ячейки большой удельной мощности». Материалы 34-го Международного симпозиума по источникам энергии . п. 30. DOI : 10,1109 / IPSS.1990.145783 . ISBN 0-87942-604-7.
- ^ Осер, Уильям (9–12 июня 1986 г.). "Натрий-серный элемент PB для спутниковых батарей". Материалы Международного симпозиума по источникам энергии, 32-й, Черри-Хилл, Нью-Джерси . Электрохимическое общество. A88-16601 04–44: 49–54. Bibcode : 1986poso.symp ... 49A . HDL : 2027 / uc1.31822015751399 .
- ^ Гарнер, JC; Бейкер, МЫ; Браун, В .; Ким, Дж. (31 декабря 1995 г.). "Эксперимент в космическом полете с натриево-серным аккумулятором". OSTI 187010 . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Venus Landsailing Rover. Джеффри Лэндис, Исследовательский центр Гленна НАСА. 2012 г.
- ^ Ландис, Джорджия; Харрисон, Р. (2010). «Батареи для работы на поверхности Венеры». Журнал движения и мощности . 26 (4): 649–654. DOI : 10.2514 / 1.41886 . - Первоначально представлены как документ AIAA-2008-5796, 6-я Международная конференция по проектированию преобразования энергии AIAA, Кливленд, штат Огайо, 28–30 июля 2008 г.
- ^ Коган, Рон (2007-10-01). «Ford Ecostar EV, Рон Коган» . Greencar.com. Архивировано из оригинала на 2008-12-03 . Проверено 12 апреля 2010 .
Внешние ссылки
- «Аппалачский энергоблок AEP для установки первой в США технологии хранения энергии в промышленных масштабах» . Пресс-релизы . American Electric Power. 19 сентября 2005 г.
- Ламоника, Мартин (4 августа 2010 г.). «Гигантская батарея сглаживает переменную силу ветра» . CNET .
- Передовые накопители энергии для технологий использования возобновляемых источников энергии