globala energiföretag som Tesla och Sonnen tar rubriker för att installera stora litiumjonbatterier i kraftnät på platser som Australien, Puerto Rico och USA. Det skulle således vara lätt att anta att litiumjon är det enda valet för batteristöd av kraftverktyg. Medan litiumjonbatterier står för 59% av elektrokemisk nätlagring, finns andra batteritekniker. En av dessa är natriumsvavel (NaS).
nas-batterier faller i en kategori som kallas högtemperaturbatterier. De kallas detta eftersom förhöjda temperaturer krävs för att hålla anoden och katodmaterialen i smält tillstånd för att batteriet ska fungera. Under drift skapar den kemiska reaktionen som sker tillräckligt med värme för att bibehålla det smälta tillståndet. Det är bara vid start eller när batteriet är tomgång som extern uppvärmning måste ske.
användningen av smält natrium som anod (negativ elektrod) och smält svavel som katod (positiv elektrod) utvecklades först av Ford Motor Company på 1960-talet. Driftstemperaturen på 300-350 kg C-som behövs för att hålla natrium och svavel i smält tillstånd—tillsammans med farorna med mycket reaktiv natriummetall, utgjorde faror för användningen av NaS-batteriet i elfordon (ev) på vägar. Så småningom övergav Ford tanken på EVs.
NGK har utvecklat betydande nätskala natriumsvavel (NaS) batterikapacitet runt om i världen. (Bildkälla: NGK)
Keramikspecialisten NGK isolatorer, i Japan, började arbeta med NAS-konceptet 1989. NGK tillsatte ett tunt beta-aluminiumoxid keramiskt elektrolytmembran mellan de smälta materialen. Under urladdning tillåter det keramiska membranet endast positivt laddade natriumjoner att passera genom, från det negativa smälta natriumet till det positiva smälta svavlet. Under laddning är processen omvänd. I samarbete med Tokyo Electric Power Company (TEPCO) gick NGK i produktion med sitt kommersiella nas-stationära batteri för stöd för förnybara energinät 2002.
NGK hittade ytterligare applikationer i Japan för sitt NaS-batteri, inklusive lastutjämning vid vindkraftparker och andra nättjänster. Tekniken sprids till andra delar av världen. Hittills finns mer än 300 MW NaS-lagring i 170 länder på plats. Detta motsvarar cirka 3% av den totala elektrokemiska nätlagringen.
enligt International Renewable Energy Agency (Irena) i sin rapport om ellagring och förnybar energi i oktober 2017 är energitätheten för ett NaS-batteri mellan 140 och 300 watt-timmar/liter (Wh/L). Detta är något mindre än 500 Wh/L för ett nuvarande generationens litiumjonbatteri. Vad NaS erbjuder är en mycket längre livslängd-mer än 5 000 laddnings-och urladdningscykler. Detta är nästan dubbelt vad som är möjligt med ett litiumjonbatteri. NaS erbjuder också något lägre kostnader (till stor del på grund av att de tillverkas av billiga och rikliga material) jämfört med litiumjonbatterier.
byte av keramiskt membran
en av de begränsande faktorerna för godkännande av högtemperaturbatterier har varit den bräckliga naturen hos det keramiska membranet mellan de smälta anoden och katodkomponenterna. Det papperstunna membranet skadas lätt när batteriet är i drift. Nu har en forskargrupp vid MIT publicerat ett papper i Nature som beskriver användningen av ett metallnät för att ersätta det keramiska membranet i högtemperaturbatterier.
mit-teamets tillvägagångssätt var att ersätta funktionen hos det spröda keramiska membranet med ett mer robust och flexibelt, speciellt belagt metallnät. Efter att ha experimenterat med en mängd olika material erhölls de bästa resultaten med användning av ett stålnät belagt med en lösning av titanitrid. Det resulterade i ett fungerande, billigare batteri.
teamet hittade också något oväntat. Citat från ett MIT—Pressmeddelande, ”membranet hade utfört sin roll—selektivt tillåter vissa molekyler att passera genom medan de blockerar andra-på ett helt annat sätt, med hjälp av dess elektriska egenskaper snarare än den typiska mekaniska sorteringen baserat på storleken på porerna i (keramiskt) material.”
”jag anser att detta är ett genombrott”, säger MIT-Professor Donald Sadoway, i MIT-pressmeddelandet. ”Det faktum att du kan bygga en natrium-svavel typ av batteri, eller en natrium/nickel-klorid typ av batteri, utan att tillgripa användningen av bräcklig, spröd keramik—som förändrar allt,” sade han.
litiumjonbatterier kommer att förbli det bästa valet för personlig elektronik och för att driva elfordon under överskådlig framtid. Potentialen för högtemperaturbatterier—särskilt de som använder smält natrium och svavel—kan dock bidra till att minska kostnaderna och förbättra tillförlitligheten hos energinät som är beroende av förnybara energikällor.
ett brett utbud av batteriämnen kommer att diskuteras på Batteriutställningen den 11-13 September i Novi, Michigan. Här är en programlista som anger när varje presentation kommer att äga rum.
seniorredaktör Kevin Clemens har skrivit om energi -, fordons-och transportämnen i mer än 30 år. Han har magisterexamen i materialteknik och miljöutbildning och en doktorsexamen i Maskinteknik, specialiserad på aerodynamik. Han har satt flera världslandhastighetsrekord på elektriska motorcyklar som han byggde i sin verkstad.
kommer leveransen av litium att uppfylla Batterikraven?
Protonbatteri kan erbjuda Litiumjonalternativ
en ny rynka i Litiummetallbatteriforskning
Batterivarv förutses varje vecka, men den här kan vara verklig
Katoddesign stärker lagringskapaciteten för magnesiumbaserade batterier
kisel ersätter kol för att förbättra Li-ion-batterier
Nordamerikas främsta Batterikonferens.
gå med i vårt djupgående konferensprogram med över 100 tekniska diskussioner som täcker ämnen från ny batteriteknik och kemi till BMS och termisk hantering.
Batteriet Visar. September. 11-13, 2018, i Novi, mig. Registrera dig för evenemanget, värd av Design News moderbolag UBM.