钠硫电池发展简史钠硫电池的特点

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发布于2023-03-19

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钠硫电池作为一种高能固体电解质二次电池最早发明于20世纪60年代中期，早期的研究主要针对电动汽车的应用目标，包括美国的福特、日本的YUASA、英国的BBC以及铁路实验室、德国的ABB、美国的Mink公司等先后组装了钠硫电池电动汽车，并进行了长期的路试。

但长期的研究发现，钠硫电池作为储能电池优势明显，而用作电动汽车或其他移动器具的电源时，不能显示其优越性，且早期的研究并没有完全解决钠硫电池的安全可靠性问题，因此钠硫电池在车用能源方面的应用最终被人们放弃。然而，由于其高的比功率和比能量、低的原材料成本、温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势，使得钠硫电池成为目前最具市场活力和应用前景的储能电池。

钠硫电池的结构示意图钠硫电池的基本单元为单体电池，用于储能的单体电池最大容量已经达到650 Ah，功率120 W以上，将多个单体电池组合后形成模块，模块的功率通常为数十千瓦，可直接用于储能。根据电力输出的具体要求再将模块进行叠加就可形成不同功率大小的储能站。目前，商业化的钠硫电池的寿命可以达到使用10～15年以上。

大容量管式钠硫电池是以大规模静态储能为应用背景的。自1983年开始，日本NGK公司和东京电力公司合作开发这种电池，1992年实现了第一个钠硫电池示范储能电站的运行至今，其生产的管式钠硫电池循环寿命长，放电深度为10%时，可达42 000次，90%时，约4 500次，100%时，约2 500次。

目前NGK的钠硫电池已经成功地应用于城市电网的储能中，有200余座500 kW以上功率的钠硫电池储能电站，日本等国家投入商业化示范运行，电站的能量效率达到80%以上。

除较大规模在日本应用外，还已经推广到美国、加拿大、欧洲、西亚等国家和地区。储能站覆盖了商业、工业、电力、供水、学校、医院等各个部门。

此外，钠硫电池储能站还被应用于可再生能源发电的储能，对风力发电等的输出进行稳定。如在日本的八角岛，一座400 kW的钠硫电池储能系统与500 kW的风力发电系统配套，保证了风力发电输出的完全平稳，实现了与电网的安全对接。

目前正在运行的风电用最大功率的34 MW钠硫电池储能站及用于风电场的稳定输出中。钠硫电池有望使电价达到32美分/千瓦时，成为最经济最有前景的储能电池之一。

NGK的钠硫电池在以下几个方面已经广泛应用：①削峰填谷。在用电低谷期间储存电能，在用电高峰期间释放电能满足需求。钠硫电池示范项目以这方面的应用为主；②可再生能源并网。以钠硫电池配套风能、太阳能发电并网，可以在高功率发电的时候储能，在高功率用电的时候释能，提高电能质量；③独立发电系统。用于边远地区、海岛的独立发电系统，通常和新能源发电相结合；④工业应用。企业级用户在采用钠硫电池夜间充电、白天放电以节省电费的同时，还同时能够提供不间断电源和稳定企业电力质量的作用；钠硫电池模块的示意图⑤输配电领域。用于提供无功支持、缓解输电阻塞、延缓输配电设备扩容和变电站内的直流电源等，提高配电网的稳定性，进而增强大电网的可靠性和安全性。

2010年NGK公司钠硫电池的生产能力比2009年提高了50%，达到150 MW。2009年NGK公司分别与法国和阿联酋的公司签订了150 MW和300 MW的供货合同。仅在2009年，NGK公司的合同订单就达到600 MW，目前NGK公司的储能钠硫电池是唯一进入规模化商业应用的新能源储能技术，产品供不应求。

我国钠硫电池的研究以中国科学院上海硅酸盐研究所为代表，曾研制成功6 kW钠硫电池电动汽车。2006年8月开始，上海硅酸盐所和上海电力公司合作，联合开发储能应用的钠硫电池。2007年1月研制成功容量达到650 Ah的单体钠硫电池，并在2009年建成了具有年产2 MW单体电池生产能力的中试线，可以连续制备容量为650 Ah的单体电池。中试线涉及各种工艺和检测设备百余台套，其中有近2/3为自主研发，拥有多项自主知识产权，形成了有自己特色的钠硫电池关键材料和电池的评价技术。

目前电池的比能量达到150 Wh/kg，电池前200次循环的退化率为0.003%/次，这一数据与国外先进水平持平，目前的单体电池整体水平已接近NGK公司的水平。2011年10月，上海电气集团、上海电力公司和上海硅酸盐研究所正式成立“钠硫电池产业化公司”，建造钠硫电池生产线，预计2015年前钠硫电池的年产能达到50 MW，成为世界上第二大钠硫电池生产企业。

钠硫电池单电池的主要技术难点在于固体电解质beta-氧化铝陶瓷管的制备，目前在高质量陶瓷管的批量化自动化生产方面已经有很大进展，但其产量仍有限，成本仍较高。

单电池技术另一个重要难点在于电池组件的密封，目前国内外已开始研发与beta-或alfa-陶瓷热系数相适应的玻璃陶瓷材料作为密封材料，这也是降低单电池成本的一个新途径。由于硫和硫化物均具有强腐蚀性，低成本的抗腐蚀电极材料研发也是单电池技术的研究焦点之一，目前已成功开发出一些可用于集流电极的抗腐蚀沉积层，如在廉价衬底上沉积碳化物或陶瓷材料。

此外，改善钠硫电池电极与固体陶瓷电解质之间的界面极化也是提高电池电化学性能和安全性能的一个重要方面。

目前，钠硫电池较高的制造成本、运行长期可靠性、规模化成套技术是其大规模应用的主要瓶颈问题。因此，钠硫电池主要关键技术包括高质量陶瓷管技术、电池组件的密封技术、抗腐蚀电极材料技术和规模化成套技术等。

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