新型钠铝电池将实现大规模低成本长时储能

　　根据刚刚发表在《储能材料（Energy Storage Materials）》上的一项研究，一种新的电池设计可以帮助以更低的成本将可再生电力整合到电网中，使用地球上丰富的金属。

　　由美国能源部太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）领导的一个研究小组证明，由低成本金属钠和铝制成的电网储能电池的新设计为更安全、更可扩展的固定储能系统提供了一条途径。

　　PNNL的材料科学家、该研究的首席研究员Guosheng Li说：“我们展示了这种新的熔盐电池设计有潜力比其他传统的高温钠电池更快地充放电，在更低的温度下工作，并保持出色的储能能力。我们使用这种新的钠基化学物质，在比商用高温钠电池技术低100°C(212°F)以上的温度下，获得了类似的性能，同时使用了地球上更丰富的材料。”

一个联网电池，如图所示，从可再生电源收集能量，可以通过智能电网技术将其能量按需输送到电网。(动画作者：Sara Levine |太平洋西北国家实验室)

　　支持这项研究的能源部电力、储能项目办公室主任dimre Gyuk指出：“这种由低成本的本地可用材料制成的电池技术，使我们离实现国家清洁能源目标更近了一步。”

　　新型钠基熔盐电池使用两种不同的反应。该团队此前报告了中性熔盐反应。这一新发现表明，这种中性熔盐可以进一步反应成酸性熔盐。至关重要的是，第二种酸性反应机制增加了电池的容量。具体来说，在345次大电流充放电循环后，这种酸性反应机制保留了82.8%的峰值充电容量。

　　电池在放电过程中所能传递的能量称为比能量密度，用“瓦时/千克”(Wh/kg)表示。尽管该电池还处于早期阶段或“硬币电池”测试阶段，但研究人员推测，它可能会产生高达100Wh/kg的实际能量密度。相比之下，用于商业电子产品和电动汽车的锂离子电池的能量密度约为170-250Wh/kg。然而，新的钠铝电池的优点是价格低廉，而且使用更丰富的材料生产。

新的钠铝电池设计只允许钠(黄色小球)通过固态电解质为电池充电。它是用钠盐和铝棉(铝制造的废料)等地球上丰富的廉价材料建造的，这是一个优势。(图表作者：Sara Levine |太平洋西北国家实验室)

　　钠电池显示出它的魅力

　　Li补充说：“通过优化，我们预计比能量密度和生命周期可以达到更高、更长的水平。”

　　钠电池显示了它的潜力。的确，PNNL的科学家与美国可再生能源先驱Nexceris的同事合作组装和测试电池。Nexceris通过他们的新业务Adena Power，向PNNL提供了他们专利的固态钠基电解质，以测试电池的性能。这个关键的电池组件允许钠离子在充电时从电池的负极(阳极)移动到正极(阴极)。

　　PNNL的电池技术专家Vince Sprenkle拥有30多项储能系统和相关技术的专利设计，他说：“我们这项技术的主要目标是使太阳能在10到24小时内以低成本转移到电网中。这是一个最佳点，我们可以开始考虑将更高水平的可再生能源整合到电网中，为风能和太阳能等可再生资源提供真正的电网弹性。”

　　Sprenkle是开发这种电池的新型柔性设计的团队的一员，该设计还将电池从传统的管状转变为扁平的、可伸缩的形状，随着技术从硬币大小的电池发展到更大的电网级演示尺寸，这种电池可以更容易地堆叠和扩展。更重要的是，这种扁平电池设计可以通过简单地使用更厚的阴极来增加电池容量，研究人员在这项工作中利用它演示了在实验室条件下持续放电28.2小时的三倍容量电池。

　　目前大多数电池技术，包括锂离子电池，都非常适合短期储能。为了满足10小时以上的储能需求，需要开发新的、低成本、安全、长续航时间的电池概念，而不是目前最先进的电池技术。这项研究为实现这一目标提供了一个有前景的实验室规模的演示。

　　电网弹性主题的变化

　　存储可再生能源产生的能量并按需释放到电网的能力推动了电池技术的快速发展，许多新设计都在争夺关注和客户。每一个新的变化必须满足自己的利基用途的要求。一些电池，如采用PNNL冻融电池设计的电池，一次能够储存季节性产生的能量长达数月之久。

　　与季节性电池相比，这种新设计尤其适用于12至24小时的短期至中期电网储能。它是金属卤化钠电池的一种变体。类似的设计采用镍阴极作为系统的一部分，已经在商业规模上证明有效，并且已经在商业上可用。

　　“我们在不牺牲电池性能的情况下，消除了对镍这种相对稀缺且昂贵的元素的需求，”Li说。“与镍相比，使用铝的另一个优点是铝阴极充电更快，这对于在这项工作中展示更长的放电持续时间至关重要。”

　　随着这一里程碑的实现，该团队正专注于进一步改进以增加放电持续时间，这可以大大提高电网的灵活性，以更多地纳入可再生能源。

　　PNNL电池专家、该研究的合著者戴维·里德(David Reed)说，由于它在较低的温度下工作，可以用廉价的电池材料制造，而不像传统的高温钠电池那样需要更复杂、更昂贵的组件和工艺。

太平洋西北国家实验室的研究团队正在研究如何将电网规模的太阳能和电池储能设施集成到华盛顿里奇兰总部附近的电网中。在这里，他们监测和分析数据，以评估存储可再生能源和将间歇性可再生能源纳入电网的经济效益。(摄影：Andrea Starr |太平洋西北国家实验室)

　　以更低的成本实现更多的电网储能

　　Sprenkle表示，到2023年，使用锂离子电池的电网储能技术的最先进水平约为4小时的储能能力。他补充说：“如果我们能达到材料和制造的预期成本目标，这个新系统可以显著增加储能容量。”

　　作为研究的一部分，研究人员估计，基于廉价原材料的钠铝电池设计的活性材料每KWh的成本仅为7.02美元。通过优化和提高实际能量密度，他们预计这一成本可以进一步降低。这种有前景的低成本、电网规模的储能技术可以使间歇性的可再生能源，如风能和太阳能，更动态地为电网做出贡献。

　　该研究的合著者、钠固态电池制造商Adena Power的总裁尼尔·基德纳(Neil Kidner)正在与PNNL合作推进钠基电池技术。他说：“这项研究表明，我们的钠电解质不仅适用于我们的专利技术，而且适用于钠铝电池设计。我们期待着继续与PNNL研究团队合作，推进钠电池技术。”

　　（素材来自：Pacific Northwest National Laboratory 全球储能网、新能源网综合）