В статье, опубликованной сегодня в Nature Communications, описан электрод, сделанный из жидкого металлического сплава, который позволяет натриево-бета-батареям работать при значительно более низких температурах. Новый электрод увеличивает срок службы бета-натриевых батарей, помогает оптимизировать производственный процесс и снижает риск случайного возгорания.«Работа при более низких температурах может иметь большое значение для натрий-бета-батарей и может позволить батареям хранить больше возобновляемой энергии и укрепить энергосистему», — сказал материалист Сяочуань Лу из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США.Потребность в хранении энергии, но проблемы остаются
По данным Dupont Energy Consulting, более 300 мегаватт больших натриевых батарей размером с грузовой контейнер работают в США, Японии и Европе. Они часто хранят электроэнергию, вырабатываемую рядами солнечных панелей и ветряных турбин.Но их более широкое использование было ограничено из-за их высокой рабочей температуры, которая достигает 350 градусов по Цельсию, что более чем в три раза превышает температуру кипения воды. Такие высокие рабочие температуры требуют, чтобы в натрий-бета-батареях использовались более дорогие материалы, и они сокращали срок их службы.
Исследователи PNNL решили снизить рабочую температуру батареи, зная, что это может сделать батарею более эффективной и долговечной.Традиционная конструкция бета-натриевых батарей состоит из двух электродов, разделенных твердой мембраной из керамического материала бета-оксид алюминия. Существует два основных типа натрий-бета-батарей, основанных на материалах, используемых для положительного электрода: те, которые используют серу, называются натриево-серными батареями, а те, которые используют хлорид никеля, известны как батареи ZEBRA. Электричество генерируется, когда электроны проходят между электродами батареи.
Снижение рабочей температуры батареи создает ряд других технических проблем. Ключевым из них является получение отрицательного натриевого электрода для полного покрытия или «смачивания» керамического электролита. Расплавленный натрий сопротивляется покрытию поверхности бета-оксида алюминия, когда температура ниже 400 градусов по Цельсию, в результате чего натрий скручивается, как капля масла в воде, что снижает эффективность батареи. На протяжении десятилетий исследователи пытались решить эту проблему, нанося на мембрану различные покрытия.
Новый электрод предлагает другой подходЛу и его коллеги из PNNL использовали совершенно другой подход к проблеме смачиваемости: модифицировали отрицательный электрод. Вместо использования чистого натрия они экспериментировали со сплавами натрия или смесью натрия с другими металлами. Команда определила, что жидкий натрий-цезиевый сплав хорошо распределяется по мембране из бета-оксида алюминия.
Новый электродный материал PNNL позволяет батарее работать при более низких температурах. Вместо 350 градусов Цельсия, при которых работают традиционные бета-натриевые батареи, тестовая батарея с новым электродом хорошо проработала при 150 градусах — с мощностью 420 миллиампер-часов на грамм, что соответствует емкости традиционной конструкции.
Батареи с электродом из нового сплава также сохраняют большую часть своей первоначальной емкости хранения энергии. После 100 циклов зарядки и разрядки тестовая батарея с электродом PNNL сохраняла около 97 процентов своей начальной емкости, в то время как батарея с традиционным натриевым электродом сохраняла 70 процентов после 60 циклов.Аккумулятор с более низкой рабочей температурой может также использовать менее дорогие материалы, такие как полимеры, которые плавятся при 350 градусах Цельсия, для внешнего корпуса вместо стали. Использование менее дорогих и чувствительных материалов также поможет упростить процесс производства батарей.
Это частично компенсирует увеличение затрат, связанных с использованием цезия, который дороже натрия.Исследовательская группа PNNL в настоящее время создает электрод большего размера для тестирования с большей батареей, чтобы приблизить технологию к масштабу, необходимому для хранения возобновляемой энергии.
Это исследование было поддержано Управлением по поставке электроэнергии и надежности энергоснабжения Министерства энергетики США и внутренним финансированием PNNL.