中國粉體網(wǎng)訊  近年來，鋰離子電池被市場充分激活，技術(shù)成熟度迅速提高，因而發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，占據(jù)了中國和美國儲能市場絕大部分份額，但是掌握鈉硫電池成熟技術(shù)的日本，卻仍將鈉硫電池作為電化學(xué)儲能技術(shù)的第一選擇。這其中有哪些原因和發(fā)展過程呢？

日本鈉硫電池的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)中國粉體網(wǎng)的了解，雖然鈉硫電池早期在國內(nèi)外航空航天和電動汽車等領(lǐng)域開展應(yīng)用示范，但是鈉硫電池的儲能商業(yè)化運作是始于1983年日本礙子株式會社（NGK公司）和東京電力公司的合作，開發(fā)用于靜態(tài)能量存儲的鈉硫電池儲能系統(tǒng)。

2002年，NGK公司正式量產(chǎn)鈉硫電池，并通過東京電力公司開發(fā)儲能系統(tǒng)投入商業(yè)運行，目前在全球運行了超過200個儲能電站項目，4GWh以上的鈉硫電池儲能系統(tǒng)。

（圖源：NGK官網(wǎng)）

然而，2011年9月，東京電力公司為三菱材料株式會社筑波廠安裝的鈉硫電池（NGK生產(chǎn)）系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，這一事件在一定程度上造成了業(yè)界對于鈉硫電池安全性的擔(dān)憂。

其后，NGK先對正在運行的鈉硫電池電站的模組和系統(tǒng)進(jìn)行安全隱患維護(hù)，并對新生產(chǎn)的電池在電芯層面和模塊層面同時采取了多種提高安全保障的新措施。通過采取一系列應(yīng)對舉措后，從2013年開始，NGK生產(chǎn)的鈉硫電池在日本、阿聯(lián)酋和歐洲等國家和地區(qū)持續(xù)有大型儲能項目上線。

2016年3月，NGK公司和九州電力株式會社共同推出的50MW/300MWh鈉硫電池儲能系統(tǒng)改善電力供需平衡的示范項目開始運行，是當(dāng)時全球最大的大容量儲能電站。

2019年，NGK在阿布扎比酋長國完成的一個項目使用了108MW/648MWh的鈉硫電池儲能系統(tǒng)，持續(xù)放電時間達(dá)6h。

在意大利，鈉硫電池的電芯和模塊經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)險評估，包括內(nèi)源性短路和外源性火災(zāi)、地震、洪水、直接和間接閃電、蓄意破壞、高空墜落等濫用場景。評估結(jié)果顯示，經(jīng)過安全性提升的鈉硫電池技術(shù)具有較高的安全可靠性。

鈉硫電池的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理

據(jù)NGK的介紹，鈉硫電池的單電池為圓筒狀的完全密封結(jié)構(gòu)。是由作為活性物質(zhì)的鈉(Na)和硫磺(S)以及精細(xì)陶瓷的電解質(zhì)構(gòu)成。Na為負(fù)極活性物質(zhì)，S為正極活性物質(zhì)。在300℃的單節(jié)電池中，Na和S是液體，電解質(zhì)是固體的狀態(tài)。固體電解質(zhì)的陶瓷材料使用了Na離子導(dǎo)電性的β氧化鋁。

放電時，負(fù)極的鈉釋放出電子成為鈉離子，通過固體電解質(zhì)向正極移動。正極的硫和從外部回路的電子Na離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變化為多硫化鈉(Na2Sx)。負(fù)極的Na被消耗減少。從負(fù)極向外部回路被釋放出的向正極移動的電子流變成為電力。

充電時，由于從外部的電力供給，發(fā)生放電反應(yīng)的逆反應(yīng)。從外部施加電壓，正極的Na2Sx分離為Na離子，S，電子。Na離子通過固體電解質(zhì)，向負(fù)極移動。在負(fù)極Na離子接收電子還原為Na。

鈉硫電池的優(yōu)良特性及應(yīng)用需求

優(yōu)良特性

1)比能量高。目前，鈉硫電池的實際能量密度已達(dá)到240Wh/kg和390Wh/L以上，與三元鋰離子電池相當(dāng)。

2)功率密度高。用于儲能的鈉硫單體電池功率可達(dá)到120W以上，形成模塊后，模塊功率通常達(dá)到數(shù)十千瓦，可直接用于儲能。

3)長壽命。電池可滿充滿放循環(huán)4500次以上，壽命為10~15年。

4)庫倫效率高。由于采用固體電解質(zhì)，電池幾乎沒有自放電，充放電效率約為100%。

5)環(huán)境適應(yīng)性好。由于電池通過保溫箱恒溫運行，因此環(huán)境溫度適應(yīng)范圍廣，通常為–40~60℃。

6)電池運行無污染。電池采用全密封結(jié)構(gòu)，運行中無振動、無噪聲，沒有氣體放出。

7)電池原料成本低廉，無資源爭奪隱患，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。

鈉硫電池與鋰離子電池應(yīng)用于儲能的主要技術(shù)參數(shù)

應(yīng)用需求

儲能鈉硫電池可針對極端環(huán)境（如高熱、高寒、高鹽腐蝕等）下的風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電企業(yè)配套大容量、安全可靠的儲能系統(tǒng)；為載人潛艇、陸軍戰(zhàn)車、水下平臺等提供動力，服務(wù)國防科技事業(yè)；為第五代移動通信技術(shù)（5G）通信基站、數(shù)據(jù)中心等室內(nèi)用電大戶提供備用電源，為國家的節(jié)能減排事業(yè)及“碳中和”戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。

儲能鈉硫電池的應(yīng)用領(lǐng)域為鋰離子電池技術(shù)提供有益補(bǔ)充，其主要的應(yīng)用場景如下：

極端環(huán)境應(yīng)用：事實上，傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)基二次電池難以滿足極端高低溫應(yīng)用需求。具有較高的能量密度、10年以上運行壽命和對環(huán)境溫度不敏感等特性的固體電解質(zhì)基鈉硫電池被證明非常適合極端高低溫的應(yīng)用場景。在熱帶沙漠氣候的阿拉伯聯(lián)合酋長國，鈉硫電池被認(rèn)為是比鋰離子電池更優(yōu)異的儲能技術(shù)。在日本，鈉硫電池被選擇成為火箭發(fā)射場的備用電源。

長時儲能：近年來，鋰離子電池在新型儲能建設(shè)中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，但它們的供電持續(xù)時間很少能超過4h。雖然鋰離子電池在技術(shù)上可以實現(xiàn)更長時間的放電，但是出于資源稀缺和安全性的考慮，將它用于長時儲能的成本通常高于它的價值。

鈉硫電池已在全球范圍內(nèi)提供容量超過540MW/3780MWh的儲能系統(tǒng)，顯示了有效的調(diào)峰、負(fù)載均衡和節(jié)能減排的能力，被認(rèn)為是最有效的額定輸出6h以上的長時電化學(xué)儲能電池之一。同時，鈉硫電池具有模塊化擴(kuò)展的特性，有潛力提供8h以上或更長時的供電系統(tǒng)。

鈉硫電池生產(chǎn)制造的核心技術(shù)

高溫鈉硫電池電芯的核心技術(shù)包括了β"-氧化鋁精細(xì)陶瓷的燒制、電池密封技術(shù)、負(fù)極潤濕保護(hù)管設(shè)計、正極外殼防腐蝕和正負(fù)極裝填技術(shù)等。

首先，β"-氧化鋁精細(xì)陶瓷的質(zhì)量和一致性深刻影響電池的電化學(xué)性能和安全特性，是最為關(guān)鍵的一環(huán)。

其次，任何一個密封部件的損壞都會導(dǎo)致正負(fù)極材料的蒸汽直接接觸而發(fā)生反應(yīng)，因此電池密封技術(shù)成為鈉硫電池的核心技術(shù)之一。

再次，熔融硫和多硫化鈉對金屬具有強(qiáng)腐蝕性，因此包括作為正極集流體的外殼在內(nèi)的接液部件的防腐蝕技術(shù)也是鈉硫電池實用化的關(guān)鍵。

最后，電池正負(fù)極的有效裝填及其與固體電解質(zhì)之間界面的潤濕層設(shè)計是電池高性能運行的必備要素。

參考來源：

胡英瑛等：儲能鈉電池技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與思考

胡英瑛等：儲能鈉硫電池的工程化研究進(jìn)展與展望

NGK官網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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