鈉硫電池:基本原理,主要特點,主要作用,發展簡史,發展現狀,

通常情況下，鈉硫電池由正極、負極、電解質、隔膜和外殼組成，與一般二次電池（鉛酸電池、鎳鎘電池等）不同，鈉硫電池是由熔融電極和固體電解質組成，負極的活性物質為熔融金屬鈉，正極活性物質為液態硫和多硫化鈉熔鹽。

鈉硫電池（NaS）作為一種新型化學電源，自問世以來已有了很大發展。鈉硫電池體積小、容量大、壽命長、效率高，在電力儲能中廣泛套用於削峰填谷、應急電源、風力發電等儲能方面。

基本介紹

中文名：鈉硫電池
外文名：NaS Battery
發明者：美國福特(Ford)公司
發明時間：1967年
理論比能量：760Wh/Kg
實際比能量：大於150Wh/Kg

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基本原理

固體電解質兼隔膜由工作溫度在300～350度。在工作溫度下，鈉離子（

）透過電解質隔膜與S之間發生可逆反應，形成能量的釋放和儲存。

鈉硫電池在放電過程是中，電子通過外電路由陽極（負極0到陰極(正極)，而

則通過固體電解質

與

一結合形成多硫化鈉產物，在充電時電極反應與放電相反。鈉與硫之間的反應劇烈，因此兩種反應物之間必須用固體電解質隔開，同時固體電解質又必須是鈉離子導體。

目前所用電解質材料為

，只有溫度在300攝氏度以上時，

才具有良的導電性。因此，為了保證鈉硫電池的正常運行，鈉硫電池的運行溫度應保持在300～350攝氏度，這個運行溫度使鈉硫電池作為車載動力電池安全性降低，使電解質破損，從而造成安全性問題。

主要特點

鈉硫電池具有許多特色之處：一個是比能量（即電池單位質量或單位體積所具有的有效電能量）高。其理論比能量為760Wh/Kg，實際已大於150Wh/Kg，是鉛酸電池的3-4倍。如日本東京電力公司（TEPCO）和NGK公司合作開發鈉硫電池作為儲能電池，其套用目標瞄準電站負荷調平（即起削峰平谷作用，將夜晚多餘的電存儲在電池裡，到白天用電高峰時再從電池中釋放出來）、UPS應急電源及瞬間補償電源等，並於2002年開始進入商品化實施階段，已建成世界上最大規模（8MW）的儲能鈉硫電池裝置，截止2005年10月統計，年產鈉硫電池電池量已超過100MW，同時開始向海外輸出。

另一個是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達200-300mA/cm2，並瞬時間可放出其3倍的固有能量；再一個是充放電效率高。由於採用固體電解質，所以沒有通常採用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100%。當然，事物總是一分為二的，鈉硫電池也有不足之處，其工作溫度在300-350℃，所以，電池工作時需要一定的加熱保溫。但採用高性能的真空絕熱保溫技術，可有效地解決這一問題。

主要作用

鈉與硫就會通過化學反應，將電能儲存起來，當電網需要更多電能時，它又會將化學能轉化成電能，釋放出去，鈉硫電池的“蓄洪”性能非常優異，即使輸入的電流突然超過額定功率5-10倍，它也能泰然承受，再以穩定的功率釋放到電網中——這對於大型城市電網的平穩運行尤其有用。

太陽能、風能等新能源雖然潔淨，但發電功率很不穩定。這會給整個電網帶來不期而至的“洪峰”。儲能電站會將這些“綠電”先照單全收，再根據電網需求輸出。

鈉硫電池是以Na-beta-氧化鋁（AL2O3）為電解質和隔膜，並分別以金屬鈉和多硫化鈉為負極和正極的二次電池。鈉硫電池用於儲能具有獨到的優勢，主要體現在原材料和製備成本低、能量和功率密度大、效率高、不受場地限制、維護方便等方面。

發展簡史

鈉硫電池作為一種高能固體電解質二次電池最早發明於20世紀60年代中期，早期的研究主要針對電動汽車的套用目標，包括美國的福特、日本的YUASA、英國的BBC以及鐵路實驗室、德國的ABB、美國的Mink公司等先後組裝了鈉硫電池電動汽車，並進行了長期的路試。

但長期的研究發現，鈉硫電池作為儲能電池優勢明顯，而用作電動汽車或其他移動器具的電源時，不能顯示其優越性，且早期的研究並沒有完全解決鈉硫電池的安全可靠性問題，因此鈉硫電池在車用能源方面的套用最終被人們放棄。然而，由於其高的比功率和比能量、低的原材料成本、溫度穩定性以及無自放電等方面的突出優勢，使得鈉硫電池成為目前最具市場活力和套用前景的儲能電池。

鈉硫電池的基本單元為單體電池，用於儲能的單體電池最大容量已經達到650 Ah，功率120 W以上，將多個單體電池組合後形成模組，模組的功率通常為數十千瓦，可直接用於儲能。根據電力輸出的具體要求再將模組進行疊加就可形成不同功率大小的儲能站。目前，商業化的鈉硫電池的壽命可以達到使用10～15年以上。

大容量管式鈉硫電池是以大規模靜態儲能為套用背景的。自1983年開始，日本NGK公司和東京電力公司合作開發這種電池，1992年實現了第一個鈉硫電池示範儲能電站的運行至今，其生產的管式鈉硫電池循環壽命長，放電深度為10%時，可達42 000次，90%時，約4 500次，100%時，約2 500次。

目前NGK的鈉硫電池已經成功地套用於城市電網的儲能中，有200餘座500 kW以上功率的鈉硫電池儲能電站，日本等國家投入商業化示範運行，電站的能量效率達到80%以上。

除較大規模在日本套用外，還已經推廣到美國、加拿大、歐洲、西亞等國家和地區。儲能站覆蓋了商業、工業、電力、供水、學校、醫院等各個部門。

此外，鈉硫電池儲能站還被套用於可再生能源發電的儲能，對風力發電等的輸出進行穩定。如在日本的八角島，一座400 kW的鈉硫電池儲能系統與500 kW的風力發電系統配套，保證了風力發電輸出的完全平穩，實現了與電網的安全對接。

目前正在運行的風電用最大功率的34 MW鈉硫電池儲能站及用於風電場的穩定輸出中。鈉硫電池有望使電價達到32美分/千瓦時，成為最經濟最有前景的儲能電池之一。

近5年來NGK在全球範圍內已運行的項目概況

序號	項目名稱	完成時間	項目地點	規模	套用
1	PG & E Yerba Buena儲能項目	2013.05	美國，聖何塞	4 MW/28 MWh	工業套用
2	PG & E Vaca電池儲能項目	2012.08	美國，瓦卡維爾	2 MW/14 MWh	輸配電領域
3	加拿大水電公司儲能項目	2012.05	加拿大，Golden	2 MW/14 MWh	工業套用
4	卡特琳娜島高峰負荷項目	2011.12	美國，卡特琳娜島	1 MW	海島儲能
5	Xcel能源公司風電場項目	2010.08	美國，Luverne	1 MW/7 MWh	可再生能源併網
6	Younicos鈉硫電池儲能項目	2010.01	德國	1 MW/6 MWh	海島儲能
7	留尼旺島鈉硫電池儲能項目	2009.12	法國，留尼旺島	1 MW/7.2 MWh	海島儲能
8	NYPA長島公交汽車站項目	2009.09	美國，Garden	1 MW/7 MWh	工業套用
9	TEPCO鈉硫電池項目	2009.01	日本，多個地區	200 MW	輸配電領域
10	AEP延緩分散式電網項目Ⅰ	2008.12	美國，Churubusco	2 MW/14.4 MWh	輸配電領域
11	AEP延緩分散式電網項目Ⅱ	2008.11	美國，Milton	2 MW/14.4 MWh	輸配電領域
12	日本福島六所村項目	2008.08	日本，六所村	34 MW	可再生能源併網

*資料來源：儲能產業技術聯盟專業委員會（CNESA）收集整理

可見，NGK的鈉硫電池在以下幾個方面已經廣泛套用：

①削峰填谷。在用電低谷期間儲存電能，在用電高峰期間釋放電能滿足需求。鈉硫電池示範項目以這方面的套用為主；

②可再生能源併網。以鈉硫電池配套風能、太陽能發電併網，可以在高功率發電的時候儲能，在高功率用電的時候釋能，提高電能質量；

③獨立發電系統。用於邊遠地區、海島的獨立發電系統，通常和新能源發電相結合；

④工業套用。企業級用戶在採用鈉硫電池夜間充電、白天放電以節省電費的同時，還同時能夠提供不間斷電源和穩定企業電力質量的作用；

⑤輸配電領域。用於提供無功支持、緩解輸電阻塞、延緩輸配電設備擴容和變電站內的直流電源等，提高配電網的穩定性，進而增強大電網的可靠性和安全性。

2010年NGK公司鈉硫電池的生產能力比2009年提高了50%，達到150 MW。2009年NGK公司分別與法國和阿聯的公司簽訂了150 MW和300 MW的供貨契約。僅在2009年，NGK公司的契約訂單就達到600 MW，目前NGK公司的儲能鈉硫電池是唯一進入規模化商業套用的新能源儲能技術，產品供不應求。

我國鈉硫電池的研究以中國科學院上海矽酸鹽研究所為代表，曾研製成功6 kW鈉硫電池電動汽車。2006年8月開始，上海矽酸鹽所和上海電力公司合作，聯合開發儲能套用的鈉硫電池。2007年1月研製成功容量達到650 Ah的單體鈉硫電池，並在2009年建成了具有年產2 MW單體電池生產能力的中試線，可以連續製備容量為650 Ah的單體電池。中試線涉及各種工藝和檢測設備百餘台套，其中有近2/3為自主研發，擁有多項自主智慧財產權，形成了有自己特色的鈉硫電池關鍵材料和電池的評價技術。

目前電池的比能量達到150 Wh/kg，電池前200次循環的退化率為0.003%/次，這一數據與國外先進水平持平，目前的單體電池整體水平已接近NGK公司的水平。2011年10月，上海電氣集團、上海電力公司和上海矽酸鹽研究所正式成立“鈉硫電池產業化公司”，建造鈉硫電池生產線，預計2015年前鈉硫電池的年產能達到50 MW，成為世界上第二大鈉硫電池生產企業。

鈉硫電池單電池的主要技術難點在於固體電解質beta-氧化鋁陶瓷管的製備，目前在高質量陶瓷管的批量化自動化生產方面已經有很大進展，但其產量仍有限，成本仍較高。

單電池技術另一個重要難點在於電池組件的密封，目前國內外已開始研發與beta-或alfa-陶瓷熱係數相適應的玻璃陶瓷材料作為密封材料，這也是降低單電池成本的一個新途徑。由於硫和硫化物均具有強腐蝕性，低成本的抗腐蝕電極材料研發也是單電池技術的研究焦點之一，目前已成功開發出一些可用於集流電極的抗腐蝕沉積層，如在廉價襯底上沉積碳化物或陶瓷材料。

此外，改善鈉硫電池電極與固體陶瓷電解質之間的界面極化也是提高電池電化學性能和安全性能的一個重要方面。

目前，鈉硫電池較高的製造成本、運行長期可靠性、規模化成套技術是其大規模套用的主要瓶頸問題。因此，鈉硫電池主要關鍵技術包括高質量陶瓷管技術、電池組件的密封技術、抗腐蝕電極材料技術和規模化成套技術等。

發展現狀

管式設計的鈉硫電池雖然充分顯示了其大容量和高比能量的特點，在多種場合獲得了成功的套用，但與鋰離子電池、超級電容器、液流電池等膜設計的電化學儲能技術相比，它在功率特性上沒有優勢。

平板式設計有一些管式電池不具備的優點。首先，平板式設計允許更薄的陰極，對給定的電池體積，有更大的活性表面積，有利於電子和離子的傳輸；其次，相對管式電池使用的1～3 mm的電解質而言，平板式設計可使用更薄的電解質（小於1 mm）；另外，平板式設計使得單體電池組裝電池堆的過程簡化，有利於提高整個電池堆的效率。

因此，平板式設計的電池可能獲得較高的功率密度和能量密度。最近，美國西南太平洋國家實驗室（PNNL）對中溫Na-S電池進行了研究，並取得了較好的結果。但是，平板鈉硫電池存在密封脆弱導致安全性能差等嚴重隱患，還有待進一步的研究和開發。

鈉硫電池雖然在大規模儲能方面成功套用近20年，但其較高的工作溫度以及在高溫下增加的安全隱患一直是人們關注的問題，近年來，人們在探索常溫鈉硫電池方面開展了一系列的研究工作。

大容量鈉硫電池在規模化儲能方面的成功套用以及鈉與硫在資源上的優勢，激發了人們對鈉硫電池更多新技術開發的熱情，鈉硫電池儲能技術的發展勢頭將在較長的時間內繼續保持並不斷取得新進展。

鈉硫電池