Батарея на расплавах солей
Этот перевод статьи с другого языка требует улучшения. |
Батарея на расплавах солей (также называемая "аккумулятор на расплавах солей", "термальная батарея") — это аккумулятор, в котором в качестве электролита используются расплавленные соли. Такие аккумуляторы обеспечивают как высокую плотность энергии, так и высокую удельную мощность. Традиционные неперезаряжаемые термальные батареи могут храниться в твердом состоянии при комнатной температуре в течение длительного периода времени до активировации путем нагрева. Перезаряжаемые жидкометаллические батареи используются для промышленного резервного питания, электромобилей и для хранения энергии в сети , чтобы сбалансировать прерывистые возобновляемые источники энергии, такие как солнечные батареи и ветрогенераторы.
История
Термальные батареи возникли во время Второй мировой войны, когда немецкий ученый Георг Отто Эрб разработал первые элементы, использующие смесь солей в качестве электролита. Эрб разработал батареи для военного применения, в том числе для ракет Фау-1 и Фау-2. Ни одна из этих батарей не использовалась в полевых условиях во время войны. После окончания второй мировой войны технология Эрба была передана в отдел разработки боеприпасов США Национального бюро стандартов.[1] В Соединённых Штатах 1946 году она была немедленно применена для замены проблемных систем на жидкой основе, которые ранее использовались для электропитания артиллерийских неконтактных взрывателей . Технология Эрба использовалась для боеприпасов (например, бесконтактные взрыватели), а затем в ядерном оружии . Также технология изучалась исследователями в 1980-х годах для использования в электромобилях.[2]
В исследовании 2021 года сообщалось о стабильной работе элемента при температуре 110° в течение 400 циклов. Ячейка работала при напряжении 3,6 вольта. Жидкий металлический натрий проходил через керамический сепаратор, достигая смеси жидкого йодида натрия и хлорида галлия, называемой католитом. Ожидалось, что высокая цена на хлорид галлия удержит эту конструкцию от коммерческого использования.[3]
Перезаряжаемые батареи
С середины 1960-х годов было проведено много опытно-конструкторских работ по перезаряжаемым батареям с использованием натрия (Na) в качестве отрицательных электродов. Натрий привлекателен из-за его высокого восстановительного потенциала -2,71 вольта, небольшого веса, относительной доступности и низкой стоимости. Для создания практичных батарей натрий должен быть в жидкой форме. Температура плавления натрия составляет 98 ° C (208 ° F). Это означает, что батареи на основе натрия работают при температуре от 245 до 350 °C (от 470 до 660 °F).[4] В исследованиях изучались комбинации металлов при рабочих температурах 200 °C (390 °F) и комнатной температуре.[5]
Натрий-серный аккумулятор
Основная статья: Натрий-серный аккумулятор
В натрий-серной батарее (NaS-батарее) наряду с литий-серной батареей используются дешевые и широко распространенные электродные материалы. Это была первая промышленная щелочнометаллическая батарея. В ней использовалась жидкая сера для положительного электрода и керамическая трубка из твердого электролита из бета-глинозема (BASE). Проблемой была коррозия изоляторов, потому что они постепенно становились проводящими, и скорость саморазряда увеличивалась.
Из-за их высокой удельной мощности батареи NaS были предложены для космической техники.[6][7] Батарея NaS была успешно испытана в миссии космического корабля "Шаттл" STS-87 в 1997 году, но в серийное производство не пошла. Батареи NaS были предложены для использования в высокотемпературной среде Венеры. [8]
Консорциум, сформированный TEPCO (Tokyo Electric Power Co.) и NGK (NGK Insulators Ltd.), в 1983 году заявил о своей заинтересованности в исследовании батареи NaS и с тех пор стал основной движущей силой разработки этого типа. Компания TEPCO выбрала батарею NaS, поскольку все ее составляющие элементы (натрий, сера и керамика) широко распространены в Японии. Первые крупномасштабные полевые испытания были проведены на подстанции TEPCO в Цунасиме в период с 1993 по 1996 год с использованием аккумуляторных батарей 3 × 2 МВт, 6,6 кВ. На основе результатов этого испытания были разработаны улучшенные аккумуляторные модули, которые поступили в продажу в 2000 году. Коммерческий блок аккумуляторов NaS предлагает:
- Емкость: 25–250 кВтч на банк
- КПД 87%
- Срок службы 2500 циклов при 100% глубине разряда или 4500 циклов при 80% глубине разряда.
Натрий-никельхлоридный аккумулятор (Zebra)
Низкотемпературный[9] вариант аккумуляторов с расплавленной солью был разработан в 1985 г. для аккумуляторов ZEBRA (первоначально «Исследование цеолитовых аккумуляторов в Африке»; позже «Исследования аккумуляторов с нулевым уровнем выбросов»), первоначально разработанных для электромобилей[10][11]. В аккумуляторе используется NaAlCl 4 с керамическим электролитом из Na + -бета-глинозема Na - NiCl.[12]
Батарея работает при 245 ° C и использует в качестве электролита расплавленный тетрахлоралюминат натрия ( NaAlCl), который имеет температуру плавления 157 ° C. Отрицательный электрод представляет собой расплавленный натрий. Положительный электрод представляет собой никель в разряженном состоянии и хлорид никеля в заряженном состоянии. Поскольку никель и хлорид никеля почти нерастворимы в нейтральных и основных расплавах, допускается контакт, обеспечивающий небольшое сопротивление переносу заряда. Поскольку и NaAlCl и Na являются жидкими при рабочей температуре, для отделения жидкого натрия от расплавленного NaAlCl используется натрий-проводящая керамика из β-оксида алюминия .
Первичные элементы, используемые в производстве этих батарей, имеют гораздо более высокие мировые запасы и годовое производство, чем литий.[13]
Жидкометаллические батареи
Профессор Дональд Садоуэй из Массачусетского технологического института стал пионером в исследовании аккумуляторных батарей из жидкого металла, используя как магний-сурьму, так и свинец-сурьму . Слои электрода и электролита нагревают до тех пор, пока они не станут жидкими и не разделятся из-за плотности и несмешиваемости. Такие батареи могут иметь более длительный срок службы, чем обычные батареи, поскольку электроды проходят цикл создания и разрушения во время цикла заряда-разряда, что делает их невосприимчивыми к деградации, которая поражает электроды обычных батарей.[14]
Технология была предложена в 2009 году на основе разделения магния и сурьмы расплавленной солью. Магний был выбран в качестве отрицательного электрода из-за его низкой стоимости и низкой растворимости в расплавленном солевом электролите. Сурьма была выбрана в качестве положительного электрода из-за ее низкой стоимости и более высокого ожидаемого напряжения разряда.[15][16]
Неперезаряжаемые батареи
Технология
В неперезаряжаемых термальных батареях используется электролит, который при температуре окружающей среды является твердым и неактивным. Эти батареи могут храниться длительное время (более 50 лет), но при этом обеспечивают полную мощность в любой момент, когда это необходимо. После активации они обеспечивают всплеск высокой мощности в течение короткого периода времени (от нескольких десятков секунд до 60 минут и более) с выходной мощностью от ватт до киловатт . Высокая мощность обусловлена высокой ионной проводимостью расплавленной соли (что приводит к низкому внутреннему сопротивлению), которое на три порядка (или более) больше, чем у серной кислоты в свинцово-кислотном автомобильном аккумуляторе .
Для инициирования электрохимической реакции в одной из конструкций используется плавкая полоска (содержащая хромат бария и порошкообразный металлический цирконий в керамической бумаге) вдоль края нагревательных таблеток . Полоса обычно запускается электрическим воспламенителем или пиропатроном , который активируется электрическим током.
В другой конструкции используется центральное отверстие в середине батареи, в которое высокоэнергетический электрический воспламенитель запускает смесь горячих газов и раскаленных частиц. Это позволяет значительно сократить время активации (десятки миллисекунд) по сравнению с сотнями миллисекунд для конструкции с краевой полосой. Активация батареи может быть выполнена с помощью ударного капсюля, похожего на гильзу дробовика . Источник тепла должен быть безгазовым. Стандартный источник тепла обычно состоит из смесей порошка железа и перхлората калия в весовых соотношениях 88/12, 86/14 или 84/16.[17] Чем выше уровень перхлората калия, тем выше тепловая мощность (номинально 200, 259 и 297 кал./ г соответственно). Это свойство хранения в неактивированном состоянии имеет двойное преимущество: предотвращается повреждение активных материалов во время хранения и исключается потеря емкости из-за саморазряда до тех пор, пока батарея не будет активирована.
В 1980-х годах аноды из сплава лития заменили аноды из кальция или магния. Катоды - из хромата кальция, оксидов ванадия или вольфрама . Литий-кремниевые сплавы предпочтительнее более ранних литий-алюминиевых сплавов. Катод для использования с анодами из литиевого сплава в основном представляет собой дисульфид железа (пирит), либо дисульфид кобальта для мощных батарей. Электролит обычно представляет собой эвтектическую смесь хлорида лития и хлорида калия .
Совсем недавно для обеспечения более длительного срока службы также использовались другие легкоплавкие эвтектические электролиты на основе бромида лития, бромида калия и хлорида лития или фторида лития ; они также являются лучшими проводниками. Так называемый «полностью литиевый» электролит на основе хлорида лития , бромида лития и фторида лития (без солей калия) также используется для мощных батарей из-за его высокой ионной проводимости. Радиоизотопный термогенератор , например, в виде таблеток 90 SrTiO 4, можно использовать для долговременного подвода тепла к аккумулятору после активации, поддерживая его в расплавленном состоянии.[18]
Применение
Тепловые батареи используются почти исключительно в военных целях, в основном для ядерного оружия и управляемых ракет .Они являются основным источником питания для многих ракет, таких как AIM-9 Sidewinder , AIM-54 Phoenix , MIM-104 Patriot , BGM-71 TOW , BGM-109 Tomahawk и других. В этих батареях электролит иммобилизуется при расплавлении оксидом магния, который удерживает его на месте за счет капиллярного действия. Эта порошкообразная смесь прессуется в гранулы, чтобы сформировать разделитель между анодом и катодом каждого элемента в аккумуляторной батарее. Пока электролит (соль) твердый, аккумулятор инертен и остается неактивным. Каждая ячейка также содержит пиротехнический источник тепла, который используется для нагрева ячейки до типичной рабочей температуры 400–550 °C.
Примечания
- ↑ 9th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference Proceedings // . — American Society of Mechanical Engineers.
- ↑ T.M. O'Sullivan, C.M. Bingham, and R.E. Clark, "Zebra battery technologies for all electric smart car Архивная копия от 2 октября 2022 на Wayback Machine", International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion, SPEEDAM 2006, IEEE, 23–26 May 2006. Retrieved 12 June 2018
- ↑ Lavars, Nick New molten salt battery for grid-scale storage runs at low temp and cost (англ.) ?. New Atlas (22 июля 2021). Дата обращения: 22 июля 2021. Архивировано 22 июля 2021 года.
- ↑ Buchmann, Isidor Weird and Wonderful Batteries: But Will the Inventions Survive Outside the Laboratory? . Batteries in a Portable World (August 2011). Дата обращения: 30 ноября 2014. Архивировано 4 марта 2016 года.
- ↑ (26 August 2020) «Next-Generation Liquid Metal Batteries Based on the Chemistry of Fusible Alloys». ACS Central Science 6 (8): 1355–1366. doi:10.1021/acscentsci.0c00749. PMID 32875076. “Intermediate and room-temperature liquid metal batteries, circumventing complex thermal management as well as issues related to sealing and corrosion, are emerging as a novel energy system for widespread implementation”
- ↑ Koenig, A.A. Development of a high specific power sodium sulfur cell // Proceedings of the 34th International Power Sources Symposium / A.A Koenig, J.R Rasmussen. — 1990. — P. 30–33. — ISBN 978-0-87942-604-0. — doi:10.1109/IPSS.1990.145783.
- ↑ W. Auxer, "The PB Sodium Sulfur Cell for Satellite Battery Applications", 32nd International Power Sources Symposium, Cherry Hill, NJ, June 9–12, 1986, Proceedings Volume A88-16601, 04-44, Electrochemical Society, Inc., Pennington, NJ, pp. 49–54.
- ↑ (2010) «Batteries for Venus Surface Operation». Journal of Propulsion and Power 26 (4): 649–654. doi:10.2514/1.41886.
- ↑ (11 February 2016) «Advanced intermediate temperature sodium–nickel chloride batteries with ultra-high energy density». Nature Communications 7: 10683. doi:10.1038/ncomms10683. PMID 26864635. .
- ↑ 7.6 The Sodium Nickel Chloride "Zebra" Battery Архивная копия от 31 августа 2022 на Wayback Machine, Meridian International Research, 2006, p. 104-112. Accessed 2 August 2017.
- ↑ (August 1994) «Zebra batteries». Journal of Power Sources 51 (1–2): 105–114. doi:10.1016/0378-7753(94)01967-3. .
- ↑ (July 2001) «Electrochemical power sources». Resonance 6 (7): 52–63. doi:10.1007/BF02835270.
- ↑ William Tahil, Research Director. The Trouble with Lithium, Implications of Future PHEV Production for Lithium Demand . Meridian International Research (December 2006). Дата обращения: 28 февраля 2009. Архивировано 22 февраля 2009 года.
- ↑ (2012) «Liquid Metal Batteries: Past, Present, and Future». Chemical Reviews 113 (3): 2075–2099. doi:10.1021/cr300205k. PMID 23186356. (Archived copy . Дата обращения: 2 сентября 2021. Архивировано 22 января 2019 года.)
- ↑ Staff (2012) Ambri Technology Архивная копия от 2 октября 2022 на Wayback Machine Ambri company web page, Retrieved 6 December 2012.
- ↑ David L. Chandler, MIT News Office. Liquid battery big enough for the electric grid? . MIT News (19 November 2009). Дата обращения: 2 октября 2022. Архивировано 13 февраля 2010 года.
- ↑ Koch, E.-C. (2019). «Special Materials in Pyrotechnics, VII: Pyrotechnics used in thermal batteries». Def. Tech 15 (3): 254–263. doi:10.1016/j.dt.2019.02.004.
- ↑ Isotope heated deferred action thermal batteries – Catalyst Research Corporation . Freepatentsonline.com. Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 5 октября 2012 года.