博士后研究员玛莎·格罗斯(Martha Gross)在氩气手套箱中工作，该手套箱带有一个测试电池单元，展示了实验室规模的碘化钠电池。桑迪亚国家实验室的研究小组开发了一种新的碘化钠阴极电解液溶液(紫色液体)和一种特殊的陶瓷分离器，使熔融钠电池能够在230华氏度(110摄氏度)下运行。信用:兰迪·蒙托亚/桑迪亚国家实验室桑迪亚国家实验室的研究人员设计了一种新型的熔融钠电池，用于电网规模的能量存储。今天发表在科学杂志《细胞报告物理科学》上的一篇论文分享了这种新的电池设计。熔融钠电池多年来一直用于储存来自可再生能源的能量，如太阳能电池板和风力涡轮机。然而，商业上可获得的熔融钠电池，称为钠硫电池，通常在520-660华氏度下工作。桑迪亚公司的新型熔融碘化钠电池的工作温度要低得多，只有华氏230度。
该项目的首席研究员Leo Small说:“我们一直在努力将熔融钠电池的工作温度降低到物理上尽可能低的水平。“降低电池温度会带来一系列成本节约。你可以用更便宜的材料。电池需要更少的绝缘，连接所有电池的线路可以更薄。”
然而，他补充说，在550度下工作的电池化学物质在230度下不起作用。允许这种较低工作温度的主要创新之一是开发了他所谓的阴极电解液。阴极电解液是两种盐的液体混合物，在这种情况下是碘化钠和氯化镓。
制造更好电池的基础
一种基本的铅酸电池，通常用作汽车点火电池，具有铅板和二氧化铅板，中间有硫酸电解液。当电池释放能量时，铅板与硫酸反应形成硫酸铅和电子。这些电子启动汽车并返回到电池的另一侧，在那里二氧化铅板利用电子和硫酸形成硫酸铅和水。从事熔融钠电池研究十多年的材料科学家Erik Spoerke说，对于新型熔融钠电池，铅板由液态钠金属代替，二氧化铅板由碘化钠和少量氯化镓的液态混合物代替。
当新电池释放能量时，钠金属产生钠离子和电子。另一方面，电子将碘转化为碘离子。钠离子穿过分离器移动到另一侧，在那里它们与碘化物离子反应形成钼的碘化钠盐。电池的中间不是硫酸电解液，而是一个特殊的陶瓷隔板，只允许钠离子左右移动，其他什么都不允许。
斯波尔克说:“在我们的系统中，与锂离子电池不同，两边的一切都是液态的。“这意味着我们不必处理材料经历复杂相变或分崩离析等问题；都是液体。基本上，这些液体电池的寿命没有许多其他电池那么有限。”
事实上，商用熔融钠电池的寿命为10至15年，比标准铅酸电池或锂离子电池长得多。
更安全的长效电池
Sandia的小型实验室规模的碘化钠电池在烤箱中测试了8个月。玛莎·格罗斯是一名博士后研究员，在过去的两年里一直从事实验室测试，在这八个月里，她对电池进行了400多次充放电实验。
Sandia国家实验室的研究人员Leo Small(右后)和Erik Spoerke(左后)在他们实验室规模的碘化钠电池上的氩气手套箱中工作时进行观察。这种新型的熔融钠电池可能被证明是一种用于电网规模储能的低温、低成本电池。功劳:兰迪·蒙托亚/桑迪亚国家实验室她说，由于新冠肺炎大流行，他们不得不暂停实验一个月，让熔融的钠和阴极电解液冷却到室温并冻结。格罗斯很高兴电池预热后仍能工作。
这意味着，如果发生大规模的能源中断，就像今年2月在得克萨斯州发生的那样，碘化钠电池可以使用，然后让它冷却到结冰。斯波尔克补充说，一旦中断结束，它们可以预热、充电并恢复正常运行，而无需漫长或昂贵的启动过程，也不会降低电池的内部化学性质。
碘化钠电池也更安全。斯波尔克说:“当电池内部出现故障时，锂离子电池就会着火，导致电池过热失控。我们已经证明，用我们的电池化学不会发生这种情况。我们的电池，如果你把陶瓷隔板拿出来，让钠金属和盐混合，什么也不会发生。当然，电池停止工作，但没有剧烈的化学反应或火灾。”
Small补充说，如果外部火灾吞噬了碘化钠电池，电池很可能会破裂并失效，但它不应该火上浇油或引发钠火灾。
此外，在3.6伏时，新的碘化钠电池的工作电压比商用熔融钠电池高40%。斯莫尔说，这种电压导致更高的能量密度，这意味着用这种化学物质制造的潜在未来电池将需要更少的电池、更少的电池间连接以及更低的单位成本来储存相同数量的电力。
格罗斯补充说:“我们真的很兴奋，因为我们在这篇论文中报道的新阴极电解液，我们可以向系统中注入多少能量。“熔融钠电池已经存在了几十年，它们遍布全球，但从来没有人谈论过它们。因此，能够降低温度，然后带着一些数据回来，说‘这是一个非常非常可行的系统’是非常好的。”
碘化钠电池的未来
斯莫尔说，碘化钠电池项目的下一步是继续调整和完善阴极电解液化学，以取代氯化镓成分。氯化镓非常昂贵，是食盐的100多倍。
斯波尔克补充说，该团队还在进行各种工程调整，以使电池更快、更充分地充放电。一种先前确定的加速电池充电的改进是在陶瓷隔板的熔融钠侧涂上一薄层锡。
斯波尔克补充说，碘化钠电池上市可能需要5到10年的时间，剩下的大部分挑战是商业化挑战，而不是技术挑战。
斯波尔克说:“这是低温熔融钠电池长期稳定循环的首次演示。“我们组合在一起的神奇之处在于，我们发现了盐化学和电化学，使我们能够在230华氏度下有效运行。这种低温碘化钠配置在某种程度上是对熔融钠电池含义的重塑。”
新型钠电池的开发得到了能源部电能储存计划办公室的支持。
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