中國儲能網(wǎng)訊：2010年上海世博會期間，在國家電網(wǎng)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(xué)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(zhuǎn)換效率高、壽命長、不受地域限制等優(yōu)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(jié)普通AA型碳電池。如此有用的鈉硫電池的發(fā)現(xiàn)竟然源于一個有趣的“靈光一現(xiàn)”。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(xué)公司的鮑勃·海茨、威廉·布朗、查爾斯·萊文等人獨立發(fā)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(zhì)，而陶氏的采用的是玻璃電解質(zhì)。查爾斯描述了他當時在陶氏時發(fā)現(xiàn)鈉硫電池的經(jīng)歷。他當時正在用超細中空纖維電解質(zhì)做氫氣燃料電池。在一個類似于多管鍋爐的結(jié)構(gòu)中，直徑在100—200微米的中空纖維纏在一起了，纖維的內(nèi)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(fā)現(xiàn)這個電池成本太高，在太空和軍事領(lǐng)域都沒有用了。于是他們想我們這個技術(shù)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(xiàn)電池的可逆。這時，威廉·布朗提出用硫，卻當即就遭到質(zhì)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(xiàn)了可逆充放電!之后就有了鈉硫電池的長足發(fā)展了。可見一個看起來沒用的工作，也許會對其他領(lǐng)域有啟發(fā)呢!
那么現(xiàn)在我們看到的鈉硫電池的具體結(jié)構(gòu)和構(gòu)造到底是怎樣的呢?讓我們一起來揭秘鈉硫電池的內(nèi)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(zhì)和液態(tài)金屬負極材料。
放電時熔融鈉陽極失電子變成鈉離子，鈉離子經(jīng)固體電解質(zhì)到達硫陰極形成多硫化鈉。電子經(jīng)外電路到達陰極參與反應(yīng)。充電時鈉離子重新經(jīng)過電解質(zhì)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760Wh Kg-1是完全生成Na2S3來計算的。
圖中左側(cè)所示的是以鈉為芯的柱狀鈉硫電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面示意圖。深灰色部分為固體電解質(zhì)，現(xiàn)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(dǎo)電層交錯排列的晶格結(jié)構(gòu)的陶瓷材料。固體電解質(zhì)是電池最重要的部分，承擔著傳導(dǎo)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(300—350℃)下，呈熔融態(tài)。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(dǎo)電性不好，因此一般加入碳氈增加電極材料的導(dǎo)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(fā)現(xiàn)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(huán)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(lǐng)域很有潛力。
