中國粉體網(wǎng)訊  近年來，鋰離子電池被市場充分激活，技術(shù)成熟度迅速提高，因而發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，占據(jù)了中國和美國儲(chǔ)能市場絕大部分份額，但是掌握鈉硫電池成熟技術(shù)的日本，卻仍將鈉硫電池作為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的第一選擇。這其中有哪些原因和發(fā)展過程呢？

日本鈉硫電池的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

據(jù)中國粉體網(wǎng)的了解，雖然鈉硫電池早期在國內(nèi)外航空航天和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域開展應(yīng)用示范，但是鈉硫電池的儲(chǔ)能商業(yè)化運(yùn)作是始于1983年日本礙子株式會(huì)社（NGK公司）和東京電力公司的合作，開發(fā)用于靜態(tài)能量存儲(chǔ)的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2002年，NGK公司正式量產(chǎn)鈉硫電池，并通過東京電力公司開發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行，目前在全球運(yùn)行了超過200個(gè)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，4GWh以上的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。

（圖源：NGK官網(wǎng)）

然而，2011年9月，東京電力公司為三菱材料株式會(huì)社筑波廠安裝的鈉硫電池（NGK生產(chǎn)）系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，這一事件在一定程度上造成了業(yè)界對(duì)于鈉硫電池安全性的擔(dān)憂。

其后，NGK先對(duì)正在運(yùn)行的鈉硫電池電站的模組和系統(tǒng)進(jìn)行安全隱患維護(hù)，并對(duì)新生產(chǎn)的電池在電芯層面和模塊層面同時(shí)采取了多種提高安全保障的新措施。通過采取一系列應(yīng)對(duì)舉措后，從2013年開始，NGK生產(chǎn)的鈉硫電池在日本、阿聯(lián)酋和歐洲等國家和地區(qū)持續(xù)有大型儲(chǔ)能項(xiàng)目上線。

2016年3月，NGK公司和九州電力株式會(huì)社共同推出的50MW/300MWh鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)改善電力供需平衡的示范項(xiàng)目開始運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)全球最大的大容量儲(chǔ)能電站。

2019年，NGK在阿布扎比酋長國完成的一個(gè)項(xiàng)目使用了108MW/648MWh的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，持續(xù)放電時(shí)間達(dá)6h。

在意大利，鈉硫電池的電芯和模塊經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，包括內(nèi)源性短路和外源性火災(zāi)、地震、洪水、直接和間接閃電、蓄意破壞、高空墜落等濫用場景。評(píng)估結(jié)果顯示，經(jīng)過安全性提升的鈉硫電池技術(shù)具有較高的安全可靠性。

鈉硫電池的內(nèi)部構(gòu)造及工作原理

據(jù)NGK的介紹，鈉硫電池的單電池為圓筒狀的完全密封結(jié)構(gòu)。是由作為活性物質(zhì)的鈉(Na)和硫磺(S)以及精細(xì)陶瓷的電解質(zhì)構(gòu)成。Na為負(fù)極活性物質(zhì)，S為正極活性物質(zhì)。在300℃的單節(jié)電池中，Na和S是液體，電解質(zhì)是固體的狀態(tài)。固體電解質(zhì)的陶瓷材料使用了Na離子導(dǎo)電性的β氧化鋁。

放電時(shí)，負(fù)極的鈉釋放出電子成為鈉離子，通過固體電解質(zhì)向正極移動(dòng)。正極的硫和從外部回路的電子Na離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，變化為多硫化鈉(Na2Sx)。負(fù)極的Na被消耗減少。從負(fù)極向外部回路被釋放出的向正極移動(dòng)的電子流變成為電力。

充電時(shí)，由于從外部的電力供給，發(fā)生放電反應(yīng)的逆反應(yīng)。從外部施加電壓，正極的Na2Sx分離為Na離子，S，電子。Na離子通過固體電解質(zhì)，向負(fù)極移動(dòng)。在負(fù)極Na離子接收電子還原為Na。

鈉硫電池的優(yōu)良特性及應(yīng)用需求

優(yōu)良特性

1)比能量高。目前，鈉硫電池的實(shí)際能量密度已達(dá)到240Wh/kg和390Wh/L以上，與三元鋰離子電池相當(dāng)。

2)功率密度高。用于儲(chǔ)能的鈉硫單體電池功率可達(dá)到120W以上，形成模塊后，模塊功率通常達(dá)到數(shù)十千瓦，可直接用于儲(chǔ)能。

3)長壽命。電池可滿充滿放循環(huán)4500次以上，壽命為10~15年。

4)庫倫效率高。由于采用固體電解質(zhì)，電池幾乎沒有自放電，充放電效率約為100%。

5)環(huán)境適應(yīng)性好。由于電池通過保溫箱恒溫運(yùn)行，因此環(huán)境溫度適應(yīng)范圍廣，通常為–40~60℃。

6)電池運(yùn)行無污染。電池采用全密封結(jié)構(gòu)，運(yùn)行中無振動(dòng)、無噪聲，沒有氣體放出。

7)電池原料成本低廉，無資源爭奪隱患，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。

鈉硫電池與鋰離子電池應(yīng)用于儲(chǔ)能的主要技術(shù)參數(shù)

應(yīng)用需求

儲(chǔ)能鈉硫電池可針對(duì)極端環(huán)境（如高熱、高寒、高鹽腐蝕等）下的風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電企業(yè)配套大容量、安全可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)；為載人潛艇、陸軍戰(zhàn)車、水下平臺(tái)等提供動(dòng)力，服務(wù)國防科技事業(yè)；為第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）通信基站、數(shù)據(jù)中心等室內(nèi)用電大戶提供備用電源，為國家的節(jié)能減排事業(yè)及“碳中和”戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。

儲(chǔ)能鈉硫電池的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殇囯x子電池技術(shù)提供有益補(bǔ)充，其主要的應(yīng)用場景如下：

極端環(huán)境應(yīng)用：事實(shí)上，傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)基二次電池難以滿足極端高低溫應(yīng)用需求。具有較高的能量密度、10年以上運(yùn)行壽命和對(duì)環(huán)境溫度不敏感等特性的固體電解質(zhì)基鈉硫電池被證明非常適合極端高低溫的應(yīng)用場景。在熱帶沙漠氣候的阿拉伯聯(lián)合酋長國，鈉硫電池被認(rèn)為是比鋰離子電池更優(yōu)異的儲(chǔ)能技術(shù)。在日本，鈉硫電池被選擇成為火箭發(fā)射場的備用電源。

長時(shí)儲(chǔ)能：近年來，鋰離子電池在新型儲(chǔ)能建設(shè)中占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，但它們的供電持續(xù)時(shí)間很少能超過4h。雖然鋰離子電池在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的放電，但是出于資源稀缺和安全性的考慮，將它用于長時(shí)儲(chǔ)能的成本通常高于它的價(jià)值。

鈉硫電池已在全球范圍內(nèi)提供容量超過540MW/3780MWh的儲(chǔ)能系統(tǒng)，顯示了有效的調(diào)峰、負(fù)載均衡和節(jié)能減排的能力，被認(rèn)為是最有效的額定輸出6h以上的長時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能電池之一。同時(shí)，鈉硫電池具有模塊化擴(kuò)展的特性，有潛力提供8h以上或更長時(shí)的供電系統(tǒng)。

鈉硫電池生產(chǎn)制造的核心技術(shù)

高溫鈉硫電池電芯的核心技術(shù)包括了β"-氧化鋁精細(xì)陶瓷的燒制、電池密封技術(shù)、負(fù)極潤濕保護(hù)管設(shè)計(jì)、正極外殼防腐蝕和正負(fù)極裝填技術(shù)等。

首先，β"-氧化鋁精細(xì)陶瓷的質(zhì)量和一致性深刻影響電池的電化學(xué)性能和安全特性，是最為關(guān)鍵的一環(huán)。

其次，任何一個(gè)密封部件的損壞都會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極材料的蒸汽直接接觸而發(fā)生反應(yīng)，因此電池密封技術(shù)成為鈉硫電池的核心技術(shù)之一。

再次，熔融硫和多硫化鈉對(duì)金屬具有強(qiáng)腐蝕性，因此包括作為正極集流體的外殼在內(nèi)的接液部件的防腐蝕技術(shù)也是鈉硫電池實(shí)用化的關(guān)鍵。

最后，電池正負(fù)極的有效裝填及其與固體電解質(zhì)之間界面的潤濕層設(shè)計(jì)是電池高性能運(yùn)行的必備要素。

參考來源：

胡英瑛等：儲(chǔ)能鈉電池技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與思考

胡英瑛等：儲(chǔ)能鈉硫電池的工程化研究進(jìn)展與展望

NGK官網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）

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