钜大LARGE | 点击量：393次 | 2023年10月25日
中外科学家联手开发高温熔盐铁空气电池 熔盐电池有什么优势？
许多电动汽车（EV）是由可充电锂离子电池提供动力的，但随着时间的推移，它们可能会失去能量和动力。在某些情况下，这种电池在工作或充电时也会过热，这也会降低电池寿命，减少每次充电的里程数。
为了解决这些问题，诺丁汉大学正在与中国的六家科研机构合作，开发一种具有固体氧化物燃料电池和金属-空气电池综合性能优势的创新型廉价能源库。这种新型电池可以大大扩展电动汽车的使用范围，同时具有完全可回收、环保、低成本和安全的特点。
固体氧化物燃料电池通过化学反应将氢和氧转化为电。虽然它们从燃料中提取能量效率高、耐用、成本低、生产更环保，但它们是不可再充电的。同时，金属空气电池是一种电化学电池，它使用廉价的金属如铁和空气中的氧气来发电。在充电过程中，它们只向大气中释放氧气。虽然不太耐用，这些高能量密度的电池是可充电的，可以像锂离子电池一样储存和放电，但更安全、更便宜。
在早期的研究阶段，研究小组探索了一种高温铁-空气电池的设计，这种电池使用熔盐作为一种电解质，通过加热来激活导电性。廉价和易燃的熔盐有助于给电池留下深刻的能量储存和电力能力和漫长的生命周期。
然而，熔盐也具有不利的特性。诺丁汉大学研究负责人乔治·陈教授说：“在极热条件下，熔盐会具有侵蚀性、挥发性和蒸发或泄漏，这对电池设计的安全性和稳定性提出了挑战。迫切需要对这些电解液特性进行微调，以提高电池性能，并使其能够在未来的电力运输中使用。”
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
目前，研究人员已经成功地改进了这项技术，使用固体氧化物纳米粉体，将熔盐转变为软固体盐。领导这一合作项目的中国科学院上海应用物理研究所王建强教授预测，这种准固态（QSS）电解液适用于在800℃下工作的金属空气电池；因为它抑制了在如此高的工作温度下可能发生的熔盐的蒸发和流动性。
项目合作者，来自中国科学院上海应用物理研究所的程鹏博士，解释了这项实验研究的独特和有用的设计方面。准凝固是利用纳米技术来构建一个由固体氧化物颗粒组成的柔性连接网络来实现的，这些固体氧化物颗粒起到了锁定熔盐电解质的结构屏障的作用，同时仍然允许它们在极热下安全导电。
领导诺丁汉熔盐电解实验室的陈教授希望，该团队的“令人鼓舞的成果”将有助于建立一种更简单、更有效的方法，设计出低成本、高性能、高稳定性和安全性的熔盐金属空气电池。
他补充道：“经过改进的熔盐铁氧电池在新市场有着巨大的潜在应用，包括电力运输和可再生能源，这需要在我们的家庭和电网层面上提供创新的存储解决方案。原则上，这种电池还能够储存太阳能和电能，这对于家庭和工业能源的需求都是非常理想的。目前，熔盐在西班牙和中国被大规模用于收集和储存太阳能，然后将太阳能转化为电能我们的熔盐金属空气电池在一个设备中完成两项工作。”
全文“用于可充电高温熔盐铁空气电池的准固态电解质”概述了这一结果，发表在《储能材料》杂志上。
什么是熔盐电池？
熔融盐电池是一类使用熔融盐作为电解质的电池，具有高能量密度和高功率密度。传统的非充电式热电池在通过加热激活之前，可以在室温下长时间固态保存。液态金属可充电电池用于工业备用电源，特殊电动汽车和电网储能，以平衡间歇性可再生能源，例如太阳能电池板和风力涡轮机。
熔盐电池的优点
熔盐电池与固态电池相比有几个固有的优点。由于部分（或液态金属电池的全部）组件是液态的，因此在大规模应用中，电池具有更高的电流密度、更长的循环寿命和简化的制造方案。由于不涉及膜或分离器系统，循环寿命更高，能源效率可保持较长时间。电网规模的储能公司Ambri此前曾表示，铅锑和锂液态金属电池在10年的日常充放电循环中应能保持85%的初始效率。由于电池本质上是一个包含3个液相的容器，所以结构非常简单，只需将较重的金属倒入底部，将电解液倒入中间，将较轻的电极倒入底部顶部。顶部这种设计的主要缺点是需要较高的工作温度来保持部件处于液态。然而，在电网规模的应用中，利用充电和放电循环中产生的热量可以很容易地维持这些升高的温度。
熔盐电池的历史
实际上，最初的熔融盐电池根本不打算长时间工作，而是用作炸弹和火箭的单激活一次电池。由德国第二次世界大战时期的科学家乔治·奥托·埃尔布（GeorgOttoErb）发明的首批实用电池被称为热电池，尽管在战争期间从未使用过，但美国军械发展司最终将获得该技术并将其用于火箭，炸弹甚至是动力。核。这些早期的电池可以在固态状态下无限期（超过50年），同时提供巨大的电量。如今，热电池仍被用作AIM-9响尾蛇，BGM-109战斧和MIM-104爱国者等的主要动力来源。
1966年，福特汽车公司发明了用于电动汽车的钠硫（NaS）液态金属电池。高功率密度和高能量容量看起来很有希望，但是290-390°C的高工作温度导致福特放弃了研发。1983年，东京电力公司（TEPCO）和NipponGaishiKaisha（NGK）意识到了NaS电池系统作为电网存储解决方案的潜力，并开始研究和开发该技术。1993年，这种系统的第一个大规模原型在东京电力公司的Tsunashima变电站进行了现场测试。该系统由三个2MW，6.6KV电池组组成。这为NGK/TEPCO联盟当前的网格存储NaS电池系列奠定了基础，后者每年可产生90兆瓦的存储容量。
同时，1985年，在南非比勒陀利亚，由科学和工业研究委员会的JohanCoetzer博士领导的非洲沸石电池研究项目（ZEBRA）发明了首个氯化钠镍电池。它的比能为90Wh/kg，是一种非常稳定的β氧化铝固体电解质，并且比NaS具有更高的耐腐蚀性。这种设计虽然新颖，但尚未见到大规模的商业网格存储应用，并且仍然是电池研究与开发的热门话题。但是，它们已由FIAMMSonick部署并用于ModecElectricVan。
不同类型的熔盐电池
热（非充电）电池
用于为火箭和提供动力的热电池是一次电池，旨在在短时间内（从几秒钟到一个多小时不等）提供高功率。通常有两种类型的设计。第一种方法是使用炸药条，该炸药条由锆金属粉末和铬酸钡在陶瓷纸中沿热丸的边缘点燃，以点燃燃烧过程。引信条由施加电流的引爆管点燃。第二个是在电池堆中央的孔，当电触发点火时，该孔会充满白炽灯颗粒和热气体的混合物。该过程更快，大约为几十毫秒，而引信带设计则为数百毫秒。当今的热电池利用由二硫化铁或二硫化钴与锂硅或锂铝合金构成的阴极。但是，较早的化学方法使用镁或钙阳极，铬酸钙，氧化钨或钒阴极。所有这些设计都使用了熔融盐电解质层，通常由氯化锂和氯化钾组成。共晶电解质也已经使用溴化锂，并且溴化钾也已经被用来增加循环寿命。
钠硫电池
钠硫（NaS）电池由廉价且丰富的材料制成。典型的设计包括在阳极和阴极之间的固体电解质膜，该膜被装入装有铬和钼内部保护的钢制圆筒中。电池中心的熔融钠充当阳极，向外部电路提供电子。钠芯包裹在β-氧化铝固体电解质（BASE）圆柱体中，该圆柱体有助于Na+离子向外部硫电极（作为阴极）移动，同时防止两个电极短路。NGK目前经营着一系列成功的网格存储NaS电池，并且被认为是服务于北美，亚洲和欧洲的全球最大的网格规模电池供应商。
氯化钠镍电池
氯化钠镍（Na-NiCl2）电池也使用熔融的钠芯，但在放电状态下使用镍作为正极，在充电状态下使用氯化镍。两种形式的镍电极均不溶于其液态，并且将钠导电的β氧化铝陶瓷用作隔膜。代替NaS电池中存在的纯元素钠，四氯铝酸盐（NaAlCl4）核是优选的。Na-NiCl2电池有时也称为钠金属卤化物电池，除了具有较长的使用寿命，在放电状态下组装的能力以及比NaS更安全的化学性质外，还具有优势。Na-NiCl2电池的正常工作温度范围是270-350°C，但是有一家公司住友化学能够使用盐在61°C的温度下融化并在90°C的温度下运行开发出类似的化学反应。他们最初计划在2015年下半年进行商业试用，因此只有时间能证明它们在市场上的运作方式。
液态金属电池
液态金属电池是设计用于电网存储应用的新型熔融盐电池。液态金属电池是由麻省理工学院（MIT）材料教授DonaldSadoway于2009年首次提出的，它由一个底部装有熔融锑阴极的集电容器，中间层的盐电解质和液态镁组成顶部为金属阳极。镁由于其低成本和对熔融盐电解质的低溶解性而被最初选择，但较高的工作温度为700°C促使他在2011年将化学方法转换为锂基阳极。较高的工作温度是不受欢迎的，因为它导致较高的温度。腐蚀速率，降低总存储效率并增加电池寿命内的成本。
液态金属电池
Sadoway的液态金属电池因其材料成本低和能源效率高而特别适合电网存储应用。目前，锑（Sb）的价格为每摩尔1.23美元，当与碱土负极一起使用时，会产生较高的电池电压。当与锂（Li）电极耦合时，液态金属化学物质在200mA/cm2恒电流放电条件下测得的平均电池电压为0.92V。Li在极低的180°C温度下熔化，与卤化锂盐的溶解度低，从而降低了自放电的可能性。与替代的基于钠（Na）的熔融电池化学工艺相比，它在能源效率方面拥有优势。
液态金属电池如何工作？
尽管目前尚无关于Ambri当前的Li和Sb-Pb的信息，但Sadoway已公开证实其与他最初的镁锑化学（Mg||Sb）相似。在最初的2012年设计中，负极Mg电极和正极Sb电极由分子式为MgCl2-KCl-NaCl的熔融盐电解质隔开。密度差异形成阳极，电解质和阴极的三个不同层。放电时，Mg发生氧化反应，生成Mg2+，该Mg2+溶于电解质和2个自由电子，这些电子释放到外部电路中。Mg2+阳离子同时还原为Mg，并沉积到Sb阴极中，在那里它们结合在一起形成Mg-Sb液态金属合金。在充电过程中，会发生相反的情况，电流驱动Mg-Sb合金中的Mg并以液态Mg的形式返回到顶部负极。液体电极的这种膨胀和收缩是液体金属电池所独有的，并且允许电极在每个充电和放电循环中有效地再生，从而有效地增加了电池的寿命。
电网储能和熔盐电池的未来
DonaldSadoway的Ambri，NGK和Sumitomo等公司正在继续推动熔融盐化学领域的发展，因为投资者和整个能源行业开始认识到更好的电池对于电网规模储能的重要性。Ambri计划向阿拉斯加的一个试点电网，夏威夷的风力和太阳能发电厂以及曼哈顿的一个变电站运送6吨10吨的原型。NGK和三菱电机公司正在为九州电力公司建设一个50,000千瓦的电池系统，以支持日本国家改用太阳能的倡议。在麻省理工学院最近发表的题为《太阳能的未来》的2015年出版物中，人们发现当今人类从各种能源中消耗15兆瓦的电能。该报告还显示，太阳能技术已经达到人类需要利用太阳能并满足这种能源需求的地步。在德国，意大利和西班牙，太阳能已经实现了电网平价，德国率先使用太阳能发电，占其发电量的45％。显而易见的是，储能是世界充分获得可再生能源优势的最后难题。与用于更好的可再生能源技术上的资金相比，用于电网规模的储能方面的投资将具有更大的分量。显而易见的是，储能是世界充分获得可再生能源优势的最后难题。与用于更好的可再生能源技术上的资金相比，用于电网规模的储能方面的投资将具有更大的分量。显而易见的是，储能是世界充分获得可再生能源优势的最后难题。与用于更好的可再生能源技术上的资金相比，用于电网规模的储能方面的投资将具有更大的分量。
