【过刊热点文章推荐】温兆银等:钠电池的研究与开发现状

储能科学与技术2022-08-19 14:14:53

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导读


    钠硫电池、钠-氯化镍电池(ZEBRA电池)和钠-空气电池等一类以金属钠作负极,通过钠离子在正负极之间传导和得失电子而实现电能和化学能转换的电池,统称为钠电池。本文综述了钠硫电池、ZEBRA电池和钠-空气电池等钠电池的研究和开发现状,包括各种钠电池的结构、工作原理和性能特性以及目前研发进展的介绍,它们面临的主要问题的分析,最后指出它们今后的发展趋势。

胡英瑛 等中国科学院上海硅酸盐研究所    

引言

    传统化石能源的短缺以及温室气体的排放成为人类社会未来发展需要解决的最重要的问题之一。能源多样化,尤其是风能、太阳能和海洋能等可再生能源的有效利用逐渐为人们所关注。然而,这些可再生能源发电受季节、气象、时间和地域条件的影响具有明显的不连续、不稳定性。发电的出力波动较大,可调节性差,结果导致发电机组安装后无法并网,有的即使接上了网,也因为当地电网无法消纳而被迫停机。随着可再生能源快速发展,电网接入能力将面临巨大挑战。推进可再生能源发电技术的普及应用,建立包括高效储能技术在内的智能电网,提高对可再生能源发电的兼容量和能源利用效率是解决我国能源安全、实现节能减排目标的重要途径,是国民经济可持续发展的重大需求。

    随着电动汽车和智能电网建设的加速推进,储能技术的发展也成为目前全球最热点的研究领域之一,储能电池是目前电动汽车和智能电网的主要瓶颈技术。多国政府将大规模储能技术定位为支撑新能源发展的战略性技术[1]。美国政府2009年宣布将出资34亿美元启动美国“智能电网”项目建设,加上民间配套投资,整个投资将达80亿美元。2009年11月末,在美国能源部制定的关于智能电网资助计划中,规模储能技术项目资金支持力度达1.85亿美元。我国政府高度重视储能技术的研究开发与实际应用,《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》将储能技术列为重要研究内容。国家电网已在2010年之前完成了智能电网的规划与试点工作,计划到2020年,全面建成统一的坚强智能电网。储能作为提高智能电网对可再生能源发电兼容量的重要手段和实现智能电网能量双向互动的中枢和纽带,是智能电网建设中的关键技术之一。

    在动力电池方面,锂离子电池具有高比能、高电压、高效率、无自放电、无记忆效应等优点而成为首选,但是金属锂在地球上丰度仅为17~20 μg/g,金属钠作为仅次于锂的第二轻的金属元素,丰度高达2.3%~2.8%,比锂高4~5个数量级[2]。从这个角度来说,将钠应用于储能技术领域,具有商业化和可持续利用的巨大潜力和优势。钠硫电池、钠-氯化镍电池(ZEBRA电池)和钠-空气电池等一类以金属钠作为负极,通过钠离子在正负极之间传导和得失电子而实现电能和化学能转换的电池,可统称为钠电池。钠电池作为一类重要的储能电池,在某些方面具有一定的优势,钠硫电池、钠-氯化镍电池等已经形成了一定规模的产业和实际应用。钠电池对化学电源的发展正起到越来越重要的作用。本文将对钠硫电池、ZEBRA电池和钠-空气电池等钠电池的研究和开发现状进行综述,介绍各种钠电池的工作原理、结构和性能特性以及目前研发的进展,分析它们面临的主要问题,最后指出它们今后的发展趋势。

目录

1  钠硫电池

    1.1  大容量管式钠硫电池

    1.2  中温平板式钠硫电池

    1.3  常温钠硫电池

2  ZEBRA电池

    2.1  ZEBRA电池的结构与原理

    2.2  ZEBRA电池的特性与性能优化

    2.3  管型设计的ZEBRA电池

    2.4  平板式设计的ZEBRA电池

3  钠-空气电池

4  结  语

结语

    本文分别阐述了钠硫电池、ZEBRA电池以及钠-空气电池等三类钠电池的结构、工作原理和性能特性以及目前研发的最新进展,分析了它们在研究和应用方面所面临的问题以及已采取和可能采取的解决方案。

    钠硫电池具有高的比功率和比能量、低原材料成本、温度稳定性以及无自放电等方面的优势,是重要的储能技术之一,但是钠硫电池仍然需要进一步降低成本,提高电池系统的安全性,因此降低电池运行温度的中温平板式和常温钠硫电池已列为部分研发机构的关注内容之一。在钠硫电池基础上发展起来的ZEBRA电池可以有效增强这类电池的安全性,同时它还具有很强的耐过充电和过放电的工作特性,但是ZEBRA电池的能量密度和功率密度还有待进一步的提高。钠-空气电池的发展尚处于起步阶段,但仍在最近几年取得了显著的进展,因而受到越来越多的关注。

    大规模、高安全性、低成本、高能量和功率密度和长寿命是今后各种钠电池的发展方向,因此需要进一步对电池关键材料(如b-氧化铝陶瓷管和薄膜的低成本高质量的制备)和关键界面(如熔融金属钠与b-氧化铝之间的界面)的研究和评价,以增强电池的电化学性能和安全可靠性。同时,还需要在钠电池产业化的道路上继续探索,以实现钠硫电池等钠电池的商业化和国产化。

文章来源

胡英瑛, 温兆银, 芮琨, 吴相伟. 钠电池的研究与开发现状[J]. 储能科学与技术, 2013, 2(2): 81-90. 

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