Википедия

Батарея на расплавах солей

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 твёрдом состоянии при комнатной температуре в течение длительного периода времени до активировации путём 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 править

Термальные батареи возникли во время Второй мировой войны, когда немецкий учёный 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 править

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 править

Основная статья: Натрий-серный аккумулятор

В натрий-серной батарее (NaS-батарее) наряду с литий-серной батареей используются дешёвые и широко распространённые электродные материалы. Это была первая промышленная щелочнометаллическая батарея. В ней использовалась жидкая сера для положительного электрода и керамическая трубка из твёрдого 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 её 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) править

 
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 править

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 править

Технология править

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 раскалённых 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 ёмкости 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 править

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 счёт капиллярного действия. Эта порошкообразная смесь прессуется в гранулы, чтобы сформировать разделитель между анодом и катодом каждого элемента в аккумуляторной батарее. Пока электролит (соль) твёрдый, 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 править

  1. ↑ 9th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference Proceedings. American Society of Mechanical Engineers. 1974. p. 665.
  2. ↑ 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
  3. ↑ Lavars, Nick New molten salt battery for grid-scale storage runs at low temp and cost (амер. англ.). New Atlas (22 июля 2021). Дата обращения: 22 июля 2021. Архивировано 22 июля 2021 года.
  4. ↑ Buchmann, Isidor Weird and Wonderful Batteries: But Will the Inventions Survive Outside the Laboratory? Batteries in a Portable World (август 2011). Дата обращения: 30 ноября 2014. Архивировано 4 марта 2016 года.
  5. ↑ Ding, Yu; Guo, Xuelin; Yu, Guihua (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. PMC 7453561. 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
  6. ↑ 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.
  7. ↑ 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.
  8. ↑ Landis, Geoffrey A; Harrison, Rachel (2010). "Batteries for Venus Surface Operation". Journal of Propulsion and Power. 26 (4): 649—654. doi:10.2514/1.41886.
  9. ↑ Li, Guosheng; Lu, Xiaochuan; Kim, Jin Y.; Meinhardt, Kerry D.; Chang, Hee Jung; Canfield, Nathan L.; Sprenkle, Vincent L. (11 February 2016). "Advanced intermediate temperature sodium–nickel chloride batteries with ultra-high energy density". Nature Communications. 7: 10683. Bibcode:2016NatCo...710683L. doi:10.1038/ncomms10683. PMC 4753253. PMID 26864635.
  10. ↑ 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.
  11. ↑ Sudworth, J.L. (August 1994). "Zebra batteries". Journal of Power Sources. 51 (1—2): 105—114. Bibcode:1994JPS....51..105S. doi:10.1016/0378-7753(94)01967-3.
  12. ↑ Shukla, A. K.; Martha, S. K. (July 2001). "Electrochemical power sources". Resonance. 6 (7): 52—63. doi:10.1007/BF02835270. S2CID 109869429.
  13. ↑ William Tahil, Research Director. The Trouble with Lithium, Implications of Future PHEV Production for Lithium Demand. Meridian International Research (декабрь 2006). Дата обращения: 28 февраля 2009. Архивировано из оригинала 22 февраля 2009 года.
  14. ↑ Kim, Hojong; Boysen, Dane A; Newhouse, Jocelyn M; Spatocco, Brian L; Chung, Brice; Burke, Paul J; Bradwell, David J; Jiang, Kai; Tomaszowska, Alina A; Wang, Kangli; Wei, Weifeng; Ortiz, Luis A; Barriga, Salvador A; Poizeau, Sophie M; Sadoway, Donald R (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 из оригинала 22 января 2019 года.)
  15. ↑ Staff (2012) Ambri Technology Архивная копия от 2 октября 2022 на Wayback Machine Ambri company web page, Retrieved 6 December 2012.
  16. ↑ David L. Chandler, MIT News Office. Liquid battery big enough for the electric grid? MIT News (19 ноября 2009). Дата обращения: 2 октября 2022. Архивировано 13 февраля 2010 года.
  17. ↑ 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.
  18. ↑ Isotope heated deferred action thermal batteries – Catalyst Research Corporation. Freepatentsonline.com. Дата обращения: 24 апреля 2012. Архивировано 5 октября 2012 года.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Батарея_на_расплавах_солей&oldid=134106953