Натрий серный аккумулятор применение

Натрий-серный аккумулятор

Натрий-серный, или серно-натриевый, аккумулятор — вторичный химический источник тока, в котором анодом является жидкий натрий, электролитом — твёрдый нестехиометрический алюминат натрия, катодом — жидкая элементарная сера в смеси с графитом. Относится к типу батарей на солевых расплавах, имеет рабочую температуру +300…350 °C.

Достоинства

Высокая удельная энергоёмкость, дешёвые рабочие вещества. Ввиду этого, первоначально на применение таких аккумуляторов в электромобилях возлагались большие надежды.

Недостатки

Высокая рабочая температура и связанная с этим опасность воспламенения натрия при аварии; ограниченный ресурс (первые до 200 циклов, образцы 400 циклов и более); сложности уплотнения, поддержания необходимой рабочей температуры. Эти недостатки сглаживаются при стационарном применении в аккумуляторах большой ёмкости, что и определяет их область использования.

История изобретения

Работа аккумулятора

Электроды (расплавленные сера и натрий)вступают в реакцию, при этом ионы натрия мигрируют через сепаратор, а потерянные электроны образуют ток во внешнем контуре. Химическая реакция разряда:

2 Na + 4 S → Na2S4 (Eэлем

Параметры

• Теоретическая удельная энергоёмкость: 795 Вт·ч/кг.
• Реальная удельная энергоёмкость: около 300—350 Вт·ч/кг.
• Удельная энергоплотность (Вт·ч/дм³):
• ЭДС: 2,1 вольта.
• Рабочая температура: +300…350 °C.
• Энергетическая эффективность: около 89 %.

Области применения

Производители и производство

Особенности эксплуатации и утилизации

Применяются для энергетического сдвига. Аккумуляторы накапливают энергию, например в ночное время суток, в дневное время энергия используется. Таким образом происходит экономия и перенос использования энергии с периода час пик в период минимального расхода.

Источник

Серно-натриевый аккумулятор

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.

Источник

Натрий-серный аккумулятор

Батареи натрия-сера , сокращенно батареи NaS , батарея NaS является аккумуляторной батареей , так называемыми вторичными клетками . По сравнению с другими типами аккумуляторов вместо жидкого электролита используются твердый электролит и жидкие электроды , а для работы требуются высокие рабочие температуры в диапазоне от 270 до 350 ° C. Аккумулятор NaS относится к группе тепловых батарей . Этот тип батареи был разработан в конце 1970-х годов; К началу 2014 года по всему миру было установлено около 180 аккумуляторных электростанций NaS мощностью 334 МВт.

Содержание

генеральный

Анод состоит из расплавленного натрия , то катод из графитовой ткани , пропитанный жидкой серой . Оксид натрия используется в качестве электролита . Поскольку натрий бурно реагирует с водой, аккумулятор должен быть хорошо защищен от воздействия окружающей среды. Натрий-серные аккумуляторы имеют, помимо того преимущества, что основные основные материалы, такие как натрий, сера и алюминий, легко доступны, сравнительно высокую плотность хранения — чуть более 200 Вт · ч / кг.

Экспериментальными приложениями с 1980-х до середины 1990-х годов были приводные системы для электромобилей и устройства хранения энергии на спутниках связи . В настоящее время применяются небольшие и средние стационарные аккумуляторные электростанции в Японии, которые используются для обеспечения пиковых нагрузок и стабилизации энергосистемы общего пользования. В Германии берлинская компания Younicos эксплуатирует батарею NaS мощностью 1 МВт вместе с Vattenfall с 2010 года в качестве пилотного проекта по компенсации нестабильности возобновляемых источников энергии. В том же году в Техасе была установлена ​​еще большая батарея NaS, чтобы повысить надежность снабжения всего небольшого городка. В таких областях применения, как электромобили, а также в качестве систем электроснабжения в космосе, ячейки NaS были заменены другими, более подходящими системами хранения энергии.

Как производитель батарей NaS, только японские производители являются значительными во всем мире. По состоянию на 2010 год крупнейшим и доминирующим производителем в этом сегменте является компания NGK Insulators , которая вместе с оператором энергосетей Tōkyō Denryoku (Tokyo Electric Power, TEPCO ) с начала 1990-х годов использовала элементы NaS на небольших стационарных аккумуляторных электростанциях . Другие производители — японские компании Hitachi и GS Yuasa . Бывшие производители ячеек NaS для мобильных приложений включают Asea Brown Boveri (электромобиль), Silent Power Ltd. в Англии (электромобиль) и Ford Aerospace в США.

функциональность

Ячейка NaS представляет собой высокотемпературную вторичную ячейку. В отличие от многих других аккумуляторов , он имеет очень низкий электрохимический саморазряд, эффективность между зарядкой и разрядкой находится в диапазоне от 70 до 85%. Практически отсутствующий электрохимический саморазряд оправдывается тем фактом, что ячейку необходимо поддерживать в диапазоне высоких температур примерно от 300 до 350 ° C для сохранения ее функциональности, что требует дополнительных систем нагрева в дополнение к соответствующей теплоизоляции от более холодной окружающей среды. Если эта тепловая энергия, необходимая для работы, добавляется к саморазрядке или тепловая мощность отбирается от аккумуляторной системы, в небольших системах возникает высокий общий саморазряд из-за большой удельной поверхности.

Как и во всех системах, в которых необходимо снизить тепловые потери, применяется следующее:

• Поэтому малые NaS-аккумуляторы подходят только для кратковременного хранения энергии.
• Тем не менее, из-за обратную пропорциональности поверхности к объему и , следовательно, теоретически возможных низких тепловых потерь, супер- изолированного или очень большой Nas клетка может свести к минимуму их до такой степени , что эффективность значительно улучшена.

Количество циклов зарядки и разрядки велико по сравнению с другими типами батарей, но, как показано на рисунке справа, оно сильно зависит от глубины разряда. Если аккумулятор разряжается лишь незначительно в каждом цикле, что соответствует значительному уменьшению полезной емкости , возможно около 10 000 циклов зарядки. Если, с другой стороны, разряд до 10% всегда выполняется перед новой зарядкой, количество сокращается до нескольких 1000 циклов, пока не произойдет сбой. Износ этих батарей, чувствительных к глубокому разряду, является следствием тепловых процессов в элементе, в том числе теплового разгона, особенно в случае глубокого разряда .

Высокая температура необходима, потому что сера и натрий должны находиться в жидкой форме. Соответствующие температуры затвердевания должны быть значительно превышены, чтобы между электродами мог быть установлен достаточный поток энергии. В то время как электроды находятся в жидкой форме при высоких температурах, электролит в ячейках NaS всегда находится в твердой форме. Он состоит из керамики, которая проводит ионы натрия, а также является изолятором для электронов . Важным компонентом керамики является β-алюминат натрия (NaAl ₁₁ O ₁₇ ), в котором с температуры 270 ° C ионы натрия становятся настолько подвижными, что наблюдается достаточная проводимость. Другими возможными материалами являются, например, оксид натрия или оксид магния .

Американская компания Ceramatec разработала (2009 г.) в Юте версию, которая также работает при более низких температурах. При использовании новой мембраны NaSICON аккумулятор может работать при 90 ° C. Все компоненты остаются фиксированными.

Электрохимия

Во время разряда натрий окисляется на β-алюминате натрия и образует положительно заряженные ионы натрия. Эти ионы мигрируют через электролит и восстанавливают серу до пентасульфида натрия (Na ₂ S ₅ ) на положительном электроде :

Икс С. + 2 е — ⟶ С. Икс 2 — <\ Displaystyle х \, \ mathrm +2 \, e ^ <->\ longrightarrow \ mathrm _ ^ <2->>

Жидкий натрий окисляется на отрицательном электроде :

2 N а ⟶ 2 N а + + 2 е — <\ displaystyle 2 \, \ mathrm \ longrightarrow 2 \, \ mathrm ^ <+>+ 2 \, e ^ <->>

При зарядке процессы идут в обратном направлении. Тогда общая реакция будет такой:

N а 2 С. Икс + электроэнергия ⟶ 2 N а + Икс С. ( Икс знак равно 5 . 3 ) <\ displaystyle \ mathrm _ <2>\ mathrm _ + <\ text <электрическая энергия>> \ longrightarrow 2 \, \ mathrm + x \, \ mathrm \ quad (x = 5 . 3)>

Электрохимическая реакция зависит от таких факторов, как конструкция элемента и температура, внутреннее сопротивление составляет около 35 мОм и почти не зависит от состояния заряда элемента. Напряжение холостого хода заряженного элемента NaS составляет 2,076 В, при этом это напряжение остается практически постоянным до 65% разряда, если преобладает пентасульфид натрия (Na ₂ S ₅ ).

После израсходования серы часть пентасульфида натрия восстанавливается до различных форм полисульфида натрия (Na ₂ S _5-x> ) в зоне глубокого разряда .

После этого, по мере увеличения образования различных полисульфидов натрия, напряжение элемента падает почти линейно до конечного напряжения разряда 1,78 или 1,9 В. При конечном напряжении разряда 1,9 В в основном присутствует Na ₂ S ₄ ; при 1,78 В присутствует Na ₂ S ₃ . В случае дальнейшего глубокого разряда, который вреден для аккумулятора, в элементе образуется Na ₂ S ₂ , что нежелательно, поскольку приводит к высокому внутреннему сопротивлению и, следовательно, большим тепловым потерям в элементе. Тепловая нагрузка может повредить элемент.

Спецификации

В следующей таблице приведены технические данные некоторых доступных в настоящее время на рынке ячеек NaS производства Японии. Конструкция исключительно удлиненной, цилиндрической формы.

Источник

Читайте также:  Аккумулятор для asus ux301l