Серно натриевый аккумулятор: Натрий-серный аккумулятор | это… Что такое Натрий-серный аккумулятор?

Серно-натриевый аккумулятор | Electro-machines.ru

Высокотемпературные аккумуляторы. К этому классу относятся аккумуляторы на электрохимических системах натрий-сера, литий-сера, литий-алюминий-сульфид железа, работающие с твёрдым или расплавленным электролитом при температурах 300-450 °С.

Серно-натриевый аккумулятор. С аккумулятором данного типа связывались наибольшие надежды в разработке источников тока для электромобилей, которые по своим энергетическим и экономическим показателям смогли бы составить конкуренцию двигателю внутреннего сгорания.

Серно-натриевый аккумулятор содержит натриевый и серный электроды (рис. 2.11), разделённые твёрдым сепаратором из -глинозёма.

Токообразующая реакция, протекающая при рабочей температуре 300 °С, выражается уравнением

Рис. 2.11. Схематичный разрез серно-натриевого аккумулятора:

1 – натрий; 2 – -глинозём; 3 – сера; 4 – корпус; 5 – уплотнение

По мере разряда в соответствии с фазовой диаграммой системы сера-сульфид натрия могут образовываться полисульфиды различного состава от Na2S3 до Na2S5, причём потенциал серного электрода относительно натриевого электрода при наличии двух фаз (твёрдый полисульфид-жидкая сера) остаётся на уровне 2,07-2,08 В независимо от состава полисульфида.

При разряде натрий окисляется на границе раздела фаз натрий-твёрдый электролит (сепаратор), а ионы натрия движутся через твёрдый электролит в катодную полость, заполненную графитовым волокном с развитой поверхностью для обеспечения эффективного токоподвода к жидкой сере. Твёрдый электролит состава Na2О*11Al203 содержит гексагональные слои со рой шпинелей, содержащих атомы алюминия и кислорода. Ионы натрия, расположенные в плоскости перпендикулярно кристаллу, обладают определённой подвижностью. Значение ионной электропроводности составляет около 0,3 Ом-1*см-1 для монокристалла глинозёма при 300 °С, и в 5-20 раз меньше для поликристаллического образца. Стабилизаторами структуры являются добавки MgO и Li2О с содержанием по массе 2 %; -глинозём обладает униполярной проводимостью, причём при совершенной структуре исключается диффузия металлического натрия через твёрдый электролит.

Работоспособность натриевого электрода определяется процессами, протекающими на границе натриевый электрод-твёрдый электролит. Внешними проявлениями сложных пограничных эффектов являются нелинейность вольтамперной характеристики, асимметрия сопротивления в циклах заряд-разряд, возрастание сопротивления аккумулятора при циклировании. Эти эффекты зависят от полноты смачивания натрием керамики, которое значительно улучшается при покрытии электролитной трубки тонкой плёнкой свинца. Кроме того, причиной ухудшения смачивания является выход некоторых добавок, например Li и Na2О, применяемых на стадии изготовления керамики. В связи с этим дозирование этих добавок (наряду с соответствующим покрытием керамики) является эффективным средством стабилизации работы натриевого электрода.

Основная проблема функционирования серного электрода – потеря ёмкости при циклировании. Если матрица для серного электрода сделана из графитового волокна, то имеет место увеличение сопротивления на границе полисульфида и электролита при заряде; связано это с образованием элементарной серы, экранирующей электролит и препятствующей движению ионов натрия через -глинозем. Имеются несколько путей решения этой проблемы, один из которых использование графитового войлока переменного сопротивления, увеличивающегося по мере уменьшения расстояния до керамики.

Самой существенной проблемой в натрий-серном аккумуляторе является сохранение униполярной проводимости твёрдого электролита (сепаратора). Последний изготовляется в форме дисков или труб, причём трубчатой конструкции отдаётся предпочтение, поскольку только в этом варианте возможно изготовление аккумуляторов больших номиналов. Для аккумулятора ёмкостью 165 А·ч изготовлен трубчатый сепаратор из -глинозёма диаметром 30 и высотой 450-600 мм.

В настоящее время большинство исследователей сходится на том, что для обеспечения длительного ресурса -глинозёма его исходная структура должна быть мелкозернистой, а причина деградации состоит в расклинивающем воздействии жидкого натрия, проникающего в поры сепаратора.

Наружная камера заполняется серой или смесью её с полисульфидом натрия; внутренняя полость сепаратора заполняется натрием высокой чистоты, не содержащим щелочных металлов, ионные примеси которых приводят к растрескиванию -глинозёма. Серьёзной проблемой является также коррозия стального корпуса, обусловливающая блокирование сульфидами железа и никеля контакта серы с -глинозёмом. В качестве материала, устойчивого в контакте с серой, успешно используются хром и молибден. В некоторых конструкциях аккумуляторов, например в аккумуляторе фирмы «Бритиш Рейл», (British Rail), внутренняя полость заполняется серой, а наружная – натрием, что облегчает решение проблемы коррозии корпуса.

Один из уязвимых узлов натрий-серного аккумулятора – уплотнение. В одном из вариантов конструкции сепаратор из -глинозёма заканчивается фланцем, который отделяется от металлического корпуса (катода) кольцами из боросиликатного стекла, окиси алюминия и нитрида бора.

Поскольку серно-натриевый аккумулятор функционирует с потреблением-генерацией тепла, а собственная высокая температура работы требует тепловой изоляции, последнюю необходимо рассматривать с учётом изменения температуры в допустимых пределах. Теплоизоляцию обычно размещают между графитовым цилиндром, служащим токоподводом для серы, и внешней (сталь, молибден) оболочкой. В качестве теплоизоляционного материала обычно используют асбест, хорошо впитывающий расплавленную серу (на случай разгерметизации промежуточного корпуса), или температуростойкий безводный электростатически заряженный гель кремниевой кислоты (эластосил) с удельной поверхностью от 100 до 300 м2/г. Тепловой режим батареи определяется уровнем расходуемой мощности. Так, при мощности 6,5 кВт (стационарная езда) тепловые потери составляют 360 Вт. В этих условиях саморазогрев батареи равен 8 °С за 2 ч.

Срок службы серно-натриевого аккумулятора определяется долговечностью сепаратора. Ресурсоспособность последнего в значительной степени зависит от технологии его изготовления. Сложность приготовления твёрдого электролита обусловлена тем, что оксид натрия, входящий в его состав, обладает повышенной летучестью при температуре спекания, что усложняет получение совершенной структуры.

При эксплуатации теряется униполярная проводимость электролита, и металл, проникая через сепаратор, попадает в пространство, заполненное серой, что приводит к разогреву и еще более разупорядоченной структуре. В последнее время синтезирован новый твёрдый электролит, имеющий состав Na+xZr2SixP3-xO12, в котором подвижность иона Na+ реализуется в трёх кристаллографических направлениях при удельном сопротивлении 2- 4 Ом·см (t = З00-350 °С). Существуют противоречивые данные о сроке службы серно-натриевого аккумулятора. Уверенно можно говорить о 200 циклах, хотя срок службы отдельных образцов достигает 1500 циклов.

Данные по удельной энергии колеблются в пределах 85-150 Вт·ч/кг при удельной мощности 30-40 Вт/кг.

В качестве альтернативы керамическому сепаратору имеются предложения использовать полые стеклянные капилляры, селективно проводящие ионы натрия. Большое удельное сопротивление стекла (104 Ом·см при t = 300 °С) компенсируется в какой-то степени существенно меньшей толщиной (10-3 см) против толщины керамического сепаратора (10-1 см). Металлический натрий находится внутри капилляров, и благодаря их большому количеству (тысячи штук) формируется существенная поверхность раздела, что позволяет работать с малыми плотностями тока (10-3 А/см2) при хорошем (до 90 %) использовании активных масс. К настоящему времени на данной конструкции получены образцы с номиналом 40 А·ч со сроком службы 500 циклов.

Несмотря на то, что первый электромобиль – лёгкий фургон – с источником электроэнергии на основе серно-натриевой батареи был продемонстрирован в 1971 г., информация о работе батарей на базе натрий-серных аккумуляторов практически отсутствует. Основными проблемами при проектировании батареи являются необходимость обеспечения шунтирования аккумулятора с высоким внутренним сопротивлением и отключение с шунтированием аккумулятора с высокими утечками. Поскольку номиналы аккумулятора ограничиваются конструкцией трубчатого сепаратора и достижимы номиналы 150-200 А·ч, для построения электромобильной батареи потребуется значительное число аккумуляторов, соединённых последовательно или параллельно. Это приведёт к необходимости использования большого числа силовых исполнительных элементов для отключения и шунтирования дефектных аккумуляторов.

Другой существенной проблемой является обеспечение температуры батареи 300-400 °С при заряде, хранении и разряде, т. е. в условиях неадекватного тепловыделения. В настоящее время это осуществляется путём использования вакуумированной многослойной фольговой теплоизоляции в сочетании с воздушным охлаждением.

Чрезвычайно серьёзной является проблема безопасной эксплуатации: в случае утечки через электролит и прямого взаимодействия серы и натрия может произойти полная разгерметизация аккумулятора. Это связано с тем, что температура кипения серы 444 °С, а исходная температура батареи 300-350 °С и реакция взаимодействия серы и натрия сильно экзотермична.

Подытоживая вышеизложенное об аккумуляторе типа натрий-сера, можно отметить, что, несмотря на доступные и недорогие исходные материалы (натрий, сера), их постоянную регенерацию (что свойственно жидким реагентам), вопрос о практическом использовании батареи на базе этой системы остается проблематичным. Основными сдерживающими факторами являются малый ресурс сепаратора, дорогостоящие материалы уплотнения и электролита, сложность обеспечения требуемого теплового режима и т. д. Возможно, что натрий-серный аккумулятор, разрабатываемый как стационарный источник для снятия пиковых нагрузок на промышленных электростанциях, первоначально найдёт применение именно в этой области. Для стационарного варианта отсутствуют термоудары, связанные с выходом на режим, и возможна тщательная диагностика каждого аккумулятора.

 

 

Проверено корректором: 

Ученые создали натрий-серные аккумуляторы: их емкость в четыре раза больше, чем у литий-ионных

13 Дек, 2022

© iStock

— Реклама —

Исследователи из Университета Сиднея утверждают, что разработали новую недорогую натриево-серную батарею. Ее энергетическая емкость в четыре раза превышает емкость литий-ионных батарей. Успех технологии может значительно снизить затраты на переход к декарбонизированной экономике.

Новая батарея была разработана в рамках поиска высокопроизводительных решений для создания мощных систем сохранения возобновляемой энергии с низкими операционными затратами.

В исследовании также принимали участие ученые из Университета Чунцина, Университета Аделаиды, Университета Вуллонгона, Китайской академии наук в Пекине и Университета науки и технологий Китая.

Ведущий автор исследования Шенлун Чжао из Школы химической и биомолекулярной инженерии Сиднейского университета отметил: «Это значительный прорыв в развитии возобновляемой энергетики. Однако, хотя он и уменьшает затраты в долгосрочной перспективе, его широкому внедрению пока мешают определенные финансовые барьеры».

Натрий-серный аккумулятор

Для создания аккумулятора использовался серный натрий (Na-S), представляющий собой растопленную соль, которую можно извлекать из морской воды. Это удешевляет процесс производства по сравнению с производством литий-ионных аккумуляторов.

До сих пор широкое использование серного натрия было ограничено из-за его низкой энергоемкости и короткого жизненного цикла.

Однако ученые, работавшие в группе, заметили, что использование простого процесса пиролиза и углеродных электродов может улучшить реакционную способность серы и обратимость реакций между серой и натрием.

Как отметили ученые, это в свою очередь поможет натрий-серным аккумуляторам избавиться от репутации слабых и обеспечит их большей емкостью и более длительным сроком эксплуатации при комнатных температурах.

— Реклама —

Исследователи считают, что натрий-серные аккумуляторы станут более энергоемкой и менее токсичной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, производство и переработка которых является довольно дорогостоящим удовольствием.

Ведущий автор исследования Шенлун Чжао указывает, что решения по сохранению энергии, создаваемые с использованием таких широко распространенных и богатых ресурсов, как натрий, могут гарантировать большую энергетическую безопасность и позволят большему количеству стран приобщиться к процессу декарбонизации.

Лабораторные образцы аккумуляторов успешно изготовлены и протестированы в исследовательском цехе химического факультета Университета Сиднея.

Финансирование исследования было обеспечено Австралийским исследовательским советом, Национальным фондом естественных наук Китая, Фондами фундаментальных исследований центральных университетов и Министерством науки и технологий Китая.

Отчет о результатах исследования был опубликован в Advanced Materials.

Напомним, ранее учёные создали батарею, которой требуется всего несколько секунд солнечного света для зарядки смарт-гаджетов.

— Реклама —

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Борис Скуратовский

Журналист, медиа-эксперт и «летописец» истории украинского радио. Образование: филолог (должен был обучать детишек английскому языку, а также украинскому языку и литературе, но в итоге просвещаю взрослых дядь и тёть, информируя их о новостях из мира радио, телевидения и сопутствующих технологий). За развитием телевидения и радио в Украине слежу с 1990 года – вначале как пассивный наблюдатель, а с февраля 1997, когда на страницах киномузыкального еженедельника «П’ятниця» впервые вышла моя рубрика «Новости радио», — как журналист. Впоследствии в разное время сотрудничал с такими изданиями, как газета «Хрещатик», а также журналы «Телерадіокур’єр», «Телемир», «Медиа-Эксперт» и рядом других.

С 1998 по 2001 год работал на «Радио РОКС – Украина», где впервые получил возможность изучить радио «изнутри». Затем какое-то время работал редактором-наполнителем сайта радиостанции «ХИТ FM», а потом сотрудничал ещё с несколькими радиостанциями в качестве копирайтера. С 1999 года веду собственный интернет-портал ProRadio.Org.Ua, всецело посвящённый теме радиовещания в Украине. Люблю классический хард-рок, ценю оригинальность и нестандартность. Интересуюсь историей, лингвистикой, психологией.

Читайте также

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить

Дешевая натрий-серная батарея имеет в 4 раза большую емкость, чем литий-ионная

Энергия

Просмотр 1 изображения

Международная группа ученых, изучающих решения для хранения энергии следующего поколения, продемонстрировала экологически чистую и недорогую батарею с захватывающим потенциалом.

Новая конструкция натрий-серной батареи группы предлагает четырехкратное увеличение энергоемкости по сравнению с типичной литий-ионной батареей и представляет собой многообещающую технологию для будущего хранения энергии в масштабе сети.

Создание команды относится к категории аккумуляторов, известных как батареи из расплавленной соли, которые в различных формах существуют уже около 50 лет. Поскольку упор на возобновляемые источники энергии продолжает расти, ученые с оптимизмом смотрят на потенциал аккумуляторов с расплавленной солью для ее хранения из-за их относительной доступности и зависимости от общедоступных материалов.

Теоретически это может привести к тому, что они будут построены в более крупных масштабах, необходимых для хранения огромного количества возобновляемой энергии. Типичные их версии основаны на химии натрий-сера и выдерживают электроды при высоких температурах, чтобы поддерживать электролит в жидком расплавленном состоянии. Ученые из Китая и Австралии объединились для разработки собственной версии, которая, по их словам, предлагает значительно улучшенные характеристики при комнатной температуре.

«Когда солнце не светит и ветер не дует, нам нужны высококачественные решения для хранения данных, которые не стоят Земли и легко доступны на местном или региональном уровне», — сказал ведущий исследователь д-р Шенлонг Чжао. из Сиднейского университета. «Мы надеемся, что, предоставив технологию, снижающую затраты, мы сможем быстрее достичь горизонта экологически чистой энергии».

Чжао и его коллеги решили устранить пару недостатков существующих натрий-серных батарей, связанных с их коротким жизненным циклом и ограниченной емкостью, что препятствует их практическому применению в коммерческих целях. В проекте команды используются углеродные электроды и процесс термического разложения, известный как пиролиз, для изменения реакций между серой и натрием.

В результате получилась натрий-серная батарея с высокой емкостью 1017 мА·ч/г при комнатной температуре, что, по мнению команды, примерно в четыре раза больше, чем у литий-ионной батареи. Важно отметить, что батарея продемонстрировала хорошую стабильность и сохранила около половины этой емкости после 1000 циклов, что в документе команды описывается как «беспрецедентное».

«Наша натриевая батарея может значительно снизить затраты, обеспечивая при этом в четыре раза большую емкость», — сказал д-р Чжао. «Это значительный прорыв в развитии возобновляемых источников энергии, который, хотя и снижает затраты в долгосрочной перспективе, имеет несколько финансовых барьеров для входа».

Продемонстрировав технологию в батарейках типа «таблетка» в ходе лабораторных испытаний, исследователи теперь работают над версиями с ячейками-мешочками, поскольку они просматривают путь к коммерческому использованию.

«Вероятно, это само собой разумеется, но чем быстрее мы сможем обезуглероживаться, тем больше у нас шансов остановить потепление», — сказал Чжао. «Решения для хранения, которые производятся с использованием обильных ресурсов, таких как натрий, который можно переработать из морской воды, также могут гарантировать большую энергетическую безопасность в более широком смысле и позволить большему количеству стран присоединиться к переходу к декарбонизации».

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Источник: Университет Сиднея

Ник Лаварс

Ник пишет и редактирует в New Atlas уже более шести лет, где он освещал все, начиная от далеких космических зондов и заканчивая беспилотными автомобилями и странными науками о животных. Ранее он работал в The Conversation, Mashable и The Santiago Times, получив степень магистра в области коммуникаций в Мельбурнском университете RMIT.

Недорогие натриево-серные батареи демонстрируют многообещающие результаты

Исследователи из Университета Сиднея в Австралии рекламируют новые достижения в лаборатории, которые, по их словам, могут привести к новым недорогим натриево-серным батареям, емкость которых в четыре раза больше, чем у литий-ионных батареи. Их исследование было недавно опубликовано в журнале 9.0037 Advanced Materials с этим броским названием — Атомно-дисперсный двухкомпонентный катод с рекордно высокой массовой загрузкой серы для высокоэффективных натрий-серных аккумуляторов при комнатной температуре.

Вот выдержка из этого отчета:

Натриево-серные аккумуляторы комнатной температуры (RT-Na/S) обладают большим потенциалом для стационарного хранения энергии в масштабе сети из-за их низкой стоимости и высокой плотности энергии. Однако проблемы, возникающие из-за низкой массовой загрузки серы и плохой стабильности при циклировании, вызванных челночным эффектом полисульфидов, серьезно ограничивают их эксплуатационную способность и способность к циклированию.

В данном документе каркасы графена, легированные серой, поддерживающие атомарно-дисперсные 2H-MoS2 и Mo1 (S@MoS2-Mo1/SGF) с рекордно высокой массовой долей серы 80,9 мас.%, синтезируются в качестве интегрированного катода с двойными активными центрами для RT- Na/S аккумуляторы. Впечатляет тот факт, что S@MoS2-Mo1/SGF в готовом виде демонстрирует беспрецедентную циклическую стабильность с высокой начальной емкостью 1017 мАч·г-1 при 0,1 А·г-1 и низкой скоростью затухания 0,05% за цикл в течение 1000 циклов.

Экспериментальные и расчетные результаты, включая рентгеновскую абсорбционную спектроскопию, in situ синхротронная рентгеновская дифракция и расчеты по теории функционала плотности показывают, что Mo на атомарном уровне в этом интегрированном двойном активном центре образует делокализованную электронную систему, которая может улучшить реакционную способность серы и обратимость реакции S и Na. , значительно смягчая эффект челнока.

Полученные данные не только обеспечивают эффективную стратегию изготовления высокопроизводительных катодов с двойным участком, но также углубляют понимание механизмов их улучшения на атомном уровне.

Под руководством доктора Шэньлун Чжао из Школы химической и биомолекулярной инженерии Сиднейского университета исследователи создали свою экспериментальную батарею с использованием серы натрия, типа расплавленной соли, которую можно перерабатывать из морской воды. Исследователи прогнозируют, что их производство будет стоить намного дешевле, чем литий-ионные батареи.

Несмотря на то, что натриево-серные батареи существуют уже более полувека, они представляют собой менее качественную альтернативу, а их широкое применение ограничено низкой энергоемкостью и коротким жизненным циклом. Используя простой процесс пиролиза и электроды на основе углерода для улучшения реакционной способности серы и обратимости реакций между серой и натрием, исследователи говорят, что их батарея демонстрирует сверхвысокую емкость и сверхдлительный срок службы при комнатной температуре. Они утверждают, что натриево-серная батарея является более энергоемкой и менее токсичной альтернативой ионно-литиевым батареям.

В пресс-релизе Чжао говорится, что батарея была специально разработана для обеспечения высокопроизводительного решения для крупных систем хранения возобновляемой энергии, таких как электрические сети, при значительном снижении эксплуатационных расходов.

«Наша натриевая батарея может значительно снизить затраты, обеспечивая при этом в четыре раза большую емкость. Это значительный прорыв в развитии возобновляемых источников энергии, который, хотя и снижает затраты в долгосрочной перспективе, имеет несколько финансовых барьеров для входа».

«Когда солнце не светит и ветер не дует, нам нужны высококачественные решения для хранения данных, которые не будут стоить Земли и легко доступны на местном или региональном уровне. Мы надеемся, что, предоставив технологию, которая снижает затраты, мы можем быстрее достичь горизонта экологически чистой энергии. Вероятно, это само собой разумеется, но чем быстрее мы сможем обезуглероживаться, тем больше у нас шансов остановить потепление.

«Решения для хранения, которые производятся с использованием обильных ресурсов, таких как натрий, который можно перерабатывать из морской воды, также могут гарантировать большую энергетическую безопасность в более широком смысле и позволить большему количеству стран присоединиться к переходу к декарбонизации».

Лабораторные батареи были успешно изготовлены и испытаны на химико-технологическом предприятии Сиднейского университета. Теперь исследователи планируют улучшить и коммерциализировать их. Читатели CleanTechnica знают, что это означает 5 с лишним лет до фактического начала производства — или дольше. Мы сделали похожую историю в 2017 году. Хотя мы могли бы желать, чтобы такие новые технологии появились в сети раньше, обнадеживает то, что со временем могут появиться решения для более дешевого хранения энергии.

Возможно, натриево-серные батареи не подходят для использования в автомобилях, но миру потребуются варианты хранения энергии для крупных зарядных станций для электромобилей и хранилища в масштабе сети, чтобы помочь сделать возобновляемую энергию управляемой, чтобы мы могли закрыть больше пиковых электростанций, работающих на газе. и угольные электростанции базовой нагрузки. Все, что снижает выбросы углерода, является долгожданной новостью.

---

Не хотите пропустить статью о чистых технологиях? Подпишитесь на ежедневные обновления новостей от CleanTechnica по электронной почте.