鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量:873次 | 2021年09月28日
鈉硫電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
2010年上海世博會(huì)期間,在國(guó)家電網(wǎng)館人們會(huì)被一個(gè)高約半米的巨大電池所吸引,這樣一個(gè)電池就是由我國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所自行研制成功的鈉硫電池。鈉硫電池屬于中溫綠色二次電池,具有容量大、體積小、能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、不受地域限制等優(yōu)點(diǎn),非常適合電力儲(chǔ)能。世博會(huì)上展出的鈉硫電池在充滿(mǎn)電后相當(dāng)于2250節(jié)普通AA型碳電池。如此有用的鈉硫電池的發(fā)現(xiàn)竟然源于一個(gè)有趣的靈光一現(xiàn)。怎么回事呢?聽(tīng)我給大家講講。
1966年,福特汽車(chē)公司的韋伯、庫(kù)莫爾等人以及陶氏化學(xué)公司的鮑勃·海茨、威廉·布朗、查爾斯·萊文等人獨(dú)立發(fā)明了鈉硫電池。福特汽車(chē)公司的鈉硫電池采用β-氧化鋁作為固體電解質(zhì),而陶氏的采用的是玻璃電解質(zhì)。查爾斯描述了他當(dāng)時(shí)在陶氏時(shí)發(fā)現(xiàn)鈉硫電池的經(jīng)歷。他當(dāng)時(shí)正在用超細(xì)中空纖維電解質(zhì)做氫氣燃料動(dòng)力鋰電池。在一個(gè)類(lèi)似于多管鍋爐的結(jié)構(gòu)中,直徑在100200微米的中空纖維纏在一起了,纖維的內(nèi)壁有金屬覆蓋,外壁是塑料化的。氫氣從管中流過(guò),空氣從管外流過(guò)。但是當(dāng)他們最終決定電極中鉑催化劑的使用量時(shí),他們發(fā)現(xiàn)這個(gè)電池成本太高,在太空和領(lǐng)域都沒(méi)有用了。于是他們想我們這個(gè)技術(shù)中間還有什么是有用的呢?他們的研究主管鮑勃·海茨提出我們能不能把這個(gè)纖維中間填滿(mǎn)鈉作為鈉電極呢?1964年的圣誕清晨,他們用Cu+-Cu2+作為陰極組裝出了第一個(gè)鈉電池。之后開(kāi)始尋找合適的陰極材料來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的可逆。這時(shí),威廉·布朗提出用硫,卻當(dāng)即就遭到質(zhì)疑。因?yàn)榱蚴且粋€(gè)近乎絕緣的材料,用它作為電極材料有些不可思議。然而,1965年一月末的一天,他們所做的鈉硫電池實(shí)現(xiàn)了可逆充放電!之后就有了鈉硫電池的長(zhǎng)足發(fā)展了??梢?jiàn)一個(gè)看起來(lái)沒(méi)用的工作,也許會(huì)對(duì)其他領(lǐng)域有啟發(fā)呢!
那么現(xiàn)在我們看到的鈉硫電池的具體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造到底是怎么樣的呢?讓我們一起來(lái)揭秘鈉硫電池的內(nèi)部核心吧。
鈉硫電池在一些方面不同與一般的電池。它采用的是固體電解質(zhì)和液態(tài)金屬負(fù)極材料。
圖中右側(cè)所示的是鈉硫電池充放電過(guò)程中的電極反應(yīng)過(guò)程。放電時(shí)熔融鈉陽(yáng)極失電子變成鈉離子,鈉離子經(jīng)固體電解質(zhì)到達(dá)硫陰極形成多硫化鈉。電子經(jīng)外電路到達(dá)陰極參與反應(yīng)。充電時(shí)鈉離子重新經(jīng)過(guò)電解質(zhì)回到陽(yáng)極,過(guò)程與放電時(shí)相反。放電深度不同,多硫化鈉的重要成分也不同。一般所說(shuō)的鈉硫電池的理論容量760WhKg-1是完全生成Na2S3來(lái)計(jì)算的。
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖中左側(cè)所示的是以鈉為芯的柱狀鈉硫電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。深灰色部分為固體電解質(zhì),現(xiàn)在一般采用β’’-氧化鋁,它是一種有著氧化鋁骨架層和鈉離子導(dǎo)電層交錯(cuò)排列的晶格結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。固體電解質(zhì)是電池最重要的部分,承擔(dān)著傳導(dǎo)鈉離子和隔膜的雙重用途。中間的綠色部分是鈉陽(yáng)極,在電池工作溫度(300350℃)下,呈熔融態(tài)。藍(lán)色部分為鈉極集流體,引出后作為負(fù)極終端。外部的橘色部分為硫和多硫化鈉陰極材料。由于硫的導(dǎo)電性不好,因此一般加入碳?xì)中略鲭姌O材料的導(dǎo)電性。紅色部分為硫極集流體,也同時(shí)作為電池外殼。因?yàn)槎嗔蚧c有較強(qiáng)的腐蝕性,所以一般采用抗腐蝕的不銹鋼作為電池外殼。
我們可以發(fā)現(xiàn)鈉硫電池所采用的電極材料都是比較輕的元素,而且整個(gè)電池沒(méi)有采用對(duì)環(huán)境有污染的材料,因此可以說(shuō)鈉硫電池是一個(gè)理想的綠色二次電源,在儲(chǔ)能和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域很有潛力。