鈉硫電池

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，在電力儲能中廣泛應用于削峰填谷、應急電源、風力發電等儲能方面。

鈉硫電池作用

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于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凈，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，并分別以金屬鈉和多硫化鈉為負極和正極的二次電池。鈉硫電池用于儲能具有獨到的優勢，主要體現在原材料和制備成本低、能量和功率密度大、效率高、不受場地限制、維護方便等方面。

鈉硫電池的內部結構

2010年上海世博會期間，在國家電網館人們會被一個高約半米的巨大電池所吸引，這樣一個電池就是由中國科學院上海硅酸鹽研究所自行研制成功的鈉硫電池。鈉硫電池屬于中溫綠色二次電池，具有容量大、體積小、能量儲存和轉換效率高、壽命長、不受地域限制等優點，非常適合電力儲能。世博會上展出的鈉硫電池在充滿電后相當于2250節普通AA型碳電池。如此有用的鈉硫電池的發現竟然源于一個有趣的“靈光一現”。怎么回事呢？聽我給大家講講。

1966年，福特汽車公司的韋伯、庫莫爾等人以及陶氏化學公司的鮑勃·海茨、威廉·布朗、查爾斯·萊文等人獨立發明了鈉硫電池。福特汽車公司的鈉硫電池采用β-氧化鋁作為固體電解質，而陶氏的采用的是玻璃電解質。查爾斯描述了他當時在陶氏時發現鈉硫電池的經歷。他當時正在用超細中空纖維電解質做氫氣燃料電池。在一個類似于多管鍋爐的結構中，直徑在100200微米的中空纖維纏在一起了，纖維的內壁有金屬覆蓋，外壁是塑料化的。氫氣從管中流過，空氣從管外流過。但是當他們最終決定電極中鉑催化劑的使用量時，他們發現這個電池成本太高，在太空和特種領域都沒有用了。于是他們想我們這個技術中間還有什么是有用的呢？他們的研究主管鮑勃·海茨提出我們能不能把這個纖維中間填滿鈉作為鈉電極呢？1964年的圣誕清晨，他們用Cu+-Cu2+作為陰極組裝出了第一個鈉電池。之后開始尋找合適的陰極材料來實現電池的可逆。這時，威廉·布朗提出用硫，卻當即就遭到質疑。因為硫是一個近乎絕緣的材料，用它作為電極材料有些不可思議。然而，1965年一月末的一天，他們所做的鈉硫電池實現了可逆充放電！之后就有了鈉硫電池的長足發展了。可見一個看起來沒用的工作，也許會對其他領域有啟發呢！

那么現在我們看到的鈉硫電池的具體結構和構造到底是怎樣的呢？讓我們一起來揭秘鈉硫電池的內部核心吧。

鈉硫電池在一些方面不同與一般的電池。它采用的是固體電解質和液態金屬負極材料。

一張圖看懂鈉硫電池

圖中右側所示的是鈉硫電池充放電過程中的電極反應過程。放電時熔融鈉陽極失電子變成鈉離子，鈉離子經固體電解質到達硫陰極形成多硫化鈉。電子經外電路到達陰極參與反應。充電時鈉離子重新經過電解質回到陽極，過程與放電時相反。放電深度不同，多硫化鈉的主要成分也不同。一般所說的鈉硫電池的理論容量760WhKg-1是完全生成Na2S3來計算的。

圖中左側所示的是以鈉為芯的柱狀鈉硫電池的內部結構剖面示意圖。深灰色部分為固體電解質，現在一般采用β’’-氧化鋁，它是一種有著氧化鋁骨架層和鈉離子導電層交錯排列的晶格結構的陶瓷材料。固體電解質是電池最重要的部分，承擔著傳導鈉離子和隔膜的雙重作用。中間的綠色部分是鈉陽極，在電池工作溫度（300350℃）下，呈熔融態。藍色部分為鈉極集流體，引出后作為負極終端。外部的橘色部分為硫和多硫化鈉陰極材料。由于硫的導電性不好，因此一般加入碳氈增加電極材料的導電性。紅色部分為硫極集流體，也同時作為電池外殼。因為多硫化鈉有較強的腐蝕性，所以一般采用抗腐蝕的不銹鋼作為電池外殼。

我們可以發現鈉硫電池所采用的電極材料都是比較輕的元素，而且整個電池沒有采用對環境有污染的材料，因此可以說鈉硫電池是一個理想的綠色二次電源，在儲能和電動車等領域很有潛力。