Исследователи из Национальных лабораторий Сандии разработали новый класс батарей из расплавленного натрия для хранения энергии в масштабах сети. О новой конструкции батареи было рассказано в статье, опубликованной сегодня в научном журнале Cell Reports Physical Science.

Расплавленные натриевые батареи уже много лет используются для хранения энергии из возобновляемых источников, таких как солнечные батареи и ветряные турбины. Однако коммерчески доступные батареи из расплавленного натрия, называемые натриево-серными батареями, обычно работают при температуре 520-660 градусов по Фаренгейту. Вместо этого новая батарея Sandia с расплавленным йодидом натрия работает при гораздо более прохладной температуре 230 градусов по Фаренгейту.

"Мы работаем над тем, чтобы снизить рабочую температуру расплавленных натриевых батарей как можно ниже физически", - сказал Лео Смолл, ведущий исследователь проекта. "Существует целая каскадная экономия затрат, которая достигается за счет снижения температуры батареи. Вы можете использовать менее дорогие материалы. Батареям требуется меньше изоляции, а проводка, соединяющая все батареи, может быть намного тоньше."

Однако химия батареи, которая работает при 550 градусах, не работает при 230 градусах, добавил он. Среди основных инноваций, позволивших снизить рабочую температуру, была разработка того, что он называет католитом. Католит представляет собой жидкую смесь двух солей, в данном случае йодида натрия и хлорида галлия.

Основы создания более совершенных батарей

Базовая свинцово-кислотная батарея, обычно используемая в качестве аккумулятора зажигания автомобиля, имеет свинцовую пластину и пластину из диоксида свинца с сернокислотным электролитом посередине. Когда энергия разряжается из батареи, свинцовая пластина вступает в реакцию с серной кислотой с образованием сульфата свинца и электронов. Эти электроны запускают автомобиль и возвращаются на другую сторону батареи, где пластина из диоксида свинца использует электроны и серную кислоту для образования сульфата свинца и воды. Для новой батареи с расплавленным натрием свинцовая пластина заменена жидким металлическим натрием, а пластина с диоксидом свинца заменена жидкой смесью йодида натрия и небольшого количества хлорида галлия, сказал Эрик Спер, ученый-материаловед, который работает над батареями с расплавленным натрием более десяти лет.

Когда энергия разряжается из новой батареи, металлический натрий производит ионы и электроны натрия. С другой стороны, электроны превращают йод в иодид-ионы. Ионы натрия перемещаются через сепаратор на другую сторону, где они вступают в реакцию с иодид-ионами с образованием расплавленной соли йодида натрия. Вместо сернокислотного электролита в середине батареи находится специальный керамический сепаратор, который позволяет перемещаться из стороны в сторону только ионам натрия, и больше ничего.

"В нашей системе, в отличие от литий-ионного аккумулятора, все жидкое с двух сторон", - сказал Шперке. "Это означает, что нам не нужно иметь дело с такими проблемами, как материал, претерпевающий сложные фазовые изменения или распадающийся; все это жидкое. В принципе, срок службы этих батарей на жидкой основе не так ограничен, как у многих других батарей."

На самом деле, срок службы коммерческих батарей из расплавленного натрия составляет 10-15 лет, что значительно больше, чем у стандартных свинцово-кислотных батарей или литий-ионных батарей.

Долговечные батареи, которые являются более безопасными

Небольшая натриево-йодидная батарея Sandia в лабораторных условиях тестировалась в течение восьми месяцев в духовке. Марта Гросс, аспирант-исследователь, которая работала над лабораторными тестами в течение последних двух лет, провела эксперименты по зарядке и разрядке аккумулятора более 400 раз за эти восемь месяцев.

Из-за пандемии COVID-19 им пришлось приостановить эксперимент на месяц и дать расплавленному натрию и католиту остыть до комнатной температуры и замерзнуть, сказала она. Гросс был доволен тем, что после прогрева батареи она все еще работала.

Это означает, что в случае крупномасштабного сбоя в энергоснабжении, подобного тому, что произошло в Техасе в феврале, можно было бы использовать йодисто-натриевые батареи, а затем дать им остыть до замораживания. Как только сбой закончится, их можно будет разогреть, зарядить и вернуть к нормальной работе без длительного или дорогостоящего процесса запуска и без ухудшения внутреннего химического состава батареи, добавил Спер.

Йодисто-натриевые батареи также безопаснее. Спер сказал: "Литий-ионная батарея загорается, когда внутри батареи происходит сбой, приводящий к быстрому перегреву батареи. Мы доказали, что этого не может произойти с нашей химией батареи. Наша батарея, если вы вынете керамический сепаратор и дадите металлическому натрию смешаться с солями, ничего не произойдет. Конечно, батарея перестает работать, но нет никакой сильной химической реакции или пожара."

Если внешний пожар охватит натриево-йодистую батарею, вполне вероятно, что батарея треснет и выйдет из строя, но это не должно подливать масла в огонь или вызывать возгорание натрия, добавил Смолл.

Кроме того, при напряжении 3,6 вольта новая батарея на основе йодида натрия имеет на 40% более высокое рабочее напряжение, чем коммерческая батарея на основе расплавленного натрия. Это напряжение приводит к более высокой плотности энергии, а это означает, что потенциальным будущим батареям, изготовленным с использованием этой химии, потребуется меньше элементов, меньше соединений между элементами и общая более низкая удельная стоимость для хранения такого же количества электроэнергии, сказал Смолл.

"Мы были очень взволнованы тем, сколько энергии мы потенциально можем втиснуть в систему из-за нового католита, о котором мы сообщаем в этой статье", - добавил Гросс. "Расплавленные натриевые батареи существуют десятилетиями, и они есть по всему миру, но никто никогда не говорит о них. Таким образом, возможность снизить температуру, вернуться с некоторыми цифрами и сказать: "это действительно, действительно жизнеспособная система" - это довольно аккуратно."

Будущее йодисто-натриевых аккумуляторов

По словам Смолла, следующим шагом для проекта по созданию йодисто-натриевой батареи является продолжение настройки и совершенствования химии католитов для замены компонента хлорида галлия. Хлорид галлия очень дорог, более чем в 100 раз дороже поваренной соли.

Команда также работает над различными техническими хитростями, чтобы батарея заряжалась и разряжалась быстрее и полнее, добавил Спер. Одной из ранее выявленных модификаций для ускорения зарядки аккумулятора было нанесение на расплавленную натриевую сторону керамического сепаратора тонкого слоя олова.

Шперке добавил, что, вероятно, потребуется от пяти до 10 лет, чтобы вывести на рынок батареи на основе йодида натрия, при этом большинство остающихся проблем связаны с проблемами коммерциализации, а не с техническими проблемами.

"Это первая демонстрация долгосрочного, стабильного цикла работы низкотемпературной батареи с расплавленным натрием",-сказал Шперке. "Волшебство того, что мы собрали вместе, заключается в том, что мы определили химию соли и электрохимию, которые позволяют нам эффективно работать при температуре 230 градусов по Фаренгейту. Эта низкотемпературная конфигурация йодида натрия является своего рода переосмыслением того, что значит иметь батарею с расплавленным натрием."

Разработка новой натриевой батареи была поддержана Программой Управления по хранению электроэнергии Министерства энергетики.

ИСТОЧНИК