新型钠铝电池旨在整合可再生能源以提高电网弹性

根据刚刚发表在EnergyStorageMaterials上的一项研究，一种新的电池设计可以帮助以较低的成本将可再生能源轻松整合到国家电网中，使用地球上丰富的金属。

由能源部太平洋西北国家实验室领导的一个研究小组证明，用低成本金属钠和铝构建的电网储能电池的新设计提供了通往更安全、更具可扩展性的固定储能系统的途径。

“我们证明，这种新型熔盐电池设计具有比其他传统高温钠电池快得多的充电和放电速度、在较低温度下运行并保持出色的储能能力的潜力，”材料科学家李国盛说。在PNNL和该研究的首席研究员。

“与市售的高温钠电池技术相比，我们使用这种新型钠基化学物质在100°C[212°F]以上的温度下获得了类似的性能，同时使用了地球上储量更丰富的材料。”

提供更多储能

支持这项研究的美国能源部电力储能计划办公室主任ImreGyuk指出：“这种电池技术采用低成本的国内可用材料制造，使我们离实现国家清洁能源目标又近了一步。”

新型钠基熔盐电池使用两种不同的反应。该团队此前报道了一种中性熔盐反应。新发现表明，这种中性熔盐可以进一步反应变成酸性熔盐。

至关重要的是，这第二种酸性反应机制增加了电池的容量。具体来说，在高电流下进行345次充电/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释放的能量称为比能量密度，用“瓦时每千克”(Wh/kg)表示。尽管该电池处于早期或“纽扣电池”测试阶段，但研究人员推测它可能会产生高达100Wh/kg的实用能量密度。

相比之下，商用电子产品和电动汽车中使用的锂离子电池的能量密度约为170–250Wh/kg。然而，新的钠铝电池设计具有价格低廉且易于在美国使用更丰富的材料生产的优势。

“通过优化，我们预计比能量密度和生命周期可以达到更高和更长，”李补充道。

钠电池大显身手

事实上，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AdenaPower向PNNL提供他们获得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(阳极)侧移动到正(阴极)侧。

PNNL电池技术专家VinceSprenkle说：“我们这项技术的主要目标是在10到24小时内以低成本每天将太阳能转移到电网中，”他拥有30多项专利设计储能系统和相关技术。

“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，以利用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团队的一员，该设计还将电池从传统的管状形状转变为扁平的、可扩展的形状，随着技术从硬币大小的电池发展到更大的电池，这种电池更容易堆叠和扩展网格规模的示范规模。

更重要的是，这种扁平电池设计允许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来展示在实验室条件下持续放电28.2小时的三倍容量电池。

大多数当前的电池技术，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，需要开发新型、低成本、安全且持续时间长的电池概念，超越当前最先进的电池技术。这项研究为实现该目标提供了有希望的实验室规模示范。

网格弹性主题的变体

存储可再生能源产生的能量并按需将其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注意力和客户。

每个新变体都必须满足其自身利基用途的需求。一些电池，例如那些采用PNNL的冻融电池设计的电池，能够一次储存季节性产生的能量数月之久。

与季节性电池相比，这种新设计特别擅长12至24小时的中短期电网储能。它是所谓的钠金属卤化物电池的变体。采用镍阴极作为系统一部分的类似设计已被证明在商业规模上是有效的，并且已经可以在市场上买到。

“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，”李说。“与镍相比，使用铝的另一个优势是铝阴极充电速度更快，这对于实现这项工作中展示的更长放电时间至关重要。”

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灵活性，以更好地整合可再生能源。

PNNL电池专家兼研究合著者大卫·里德(DavidReed)说，由于它在较低温度下运行，因此可以使用廉价的电池材料制造，而不是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.

以更低的成本存储更多的电网储能

Sprenkle说，到2023年，使用锂离子电池进行电网储能的最先进储能能力约为4小时。“如果我们能够达到材料和制造的预期成本目标，这个新系统可以显着增加储存的能量容量，”他补充道。

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成本仅为每千瓦时7.02美元。通过优化和提高实际能量密度，他们预计可以进一步降低成本。

这种有前途的低成本、电网规模的存储技术可以使风能和太阳能等间歇性可再生能源为国家电网做出更大的贡献。

研究合著者、钠固态电池制造商AdenaPower总裁NeilKidner正在与PNNL合作推进钠基电池技术。“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，”他说。

“我们期待继续与PNNL研究团队合作，共同推进钠电池技术的发展。”

该研究得到了美国能源部电力办公室和韩国能源技术评估与规划研究所国际合作能源技术研发项目的支持。电解质的开发得到了美国能源部小企业创新研究计划的支持。

核磁共振测量是在环境分子科学实验室EMSL中进行的，环境分子科学实验室是美国能源部科学用户设施办公室，由生物和环境研究计划赞助。

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