Erimiş tuz pili - Molten-salt battery

FZSoNick 48TL200: Kaynak sızdırmaz hücreli ve ısı yalıtımlı sodyum-nikel pil

Erimiş tuz pilleri , elektrolit olarak erimiş tuzları kullanan ve hem yüksek enerji yoğunluğu hem de yüksek güç yoğunluğu sunan bir pil sınıfıdır . Geleneksel şarj edilemeyen termal piller , ısıtılarak etkinleştirilmeden önce katı hallerinde oda sıcaklığında uzun süre saklanabilir. Yeniden şarj edilebilir sıvı metal piller , endüstriyel güç yedeklemesi, özel elektrikli araçlar ve şebeke enerji depolaması için , güneş panelleri ve rüzgar türbinleri gibi kesintili yenilenebilir güç kaynaklarını dengelemek için kullanılır .

Tarih

Termal piller , Alman bilim adamı Georg Otto Erb'in elektrolit olarak bir tuz karışımı kullanarak ilk pratik hücreleri geliştirmesiyle II. Dünya Savaşı sırasında ortaya çıktı . Erb, V-1 uçan bomba ve V-2 roketi ve topçu ateşleme sistemleri dahil olmak üzere askeri uygulamalar için piller geliştirdi . Bu pillerin hiçbiri savaş sırasında saha kullanımına girmedi. Daha sonra Erb, İngiliz istihbaratı tarafından sorguya çekildi. Çalışmaları "Termal Hücrelerin Teorisi ve Uygulaması"nda rapor edildi. Bu bilgi daha sonra Ulusal Standartlar Bürosu'nun Birleşik Devletler Mühimmat Geliştirme Bölümü'ne iletildi . Teknoloji 1946'da Amerika Birleşik Devletleri'ne ulaştığında, daha önce topçu yakınlık fünyelerine güç sağlamak için kullanılan zahmetli sıvı bazlı sistemlerin değiştirilmesi için hemen uygulandı . Onlar için kullanılan mühimmat İkinci Dünya Savaşı beri uygulamalarda (örneğin yakınlık fünye) ve daha sonra nükleer silahların . Aynı teknoloji, 1980'lerde Argonne Ulusal Laboratuvarları ve diğer araştırmacılar tarafından elektrikli araçlarda kullanılmak üzere çalışıldı .

2021'de yapılan bir çalışma, 230 °F (110 °C) sıcaklıkta çalışan bir hücrenin 400 döngü boyunca stabil çalıştığını bildirdi. Hücre 3.6 voltta çalıştı. Sıvı sodyum metal, seramik bir ayırıcıyı geçerek "katolit" olarak adlandırılan sıvı sodyum iyodür ve galyum klorür karışımına ulaşır . Galyum klorürün yüksek fiyatının, tasarımı ticari kullanımdan uzak tutması bekleniyordu.

Şarj edilebilir konfigürasyonlar

1960'ların ortalarından bu yana, negatif elektrotlar için sodyum (Na) kullanan şarj edilebilir piller üzerinde birçok geliştirme çalışması yapılmıştır . Sodyum, -2,71 voltluk yüksek indirgeme potansiyeli , düşük ağırlığı, toksik olmayan yapısı, göreceli bolluğu, bulunabilirliği ve düşük maliyeti nedeniyle çekicidir. Pratik piller yapmak için sodyumun sıvı halde olması gerekir. Erime noktası sodyum 98 ° C (208 ° F) 'dir. Bu, sodyum bazlı pillerin 245 ila 350 °C (470 ila 660 °F) arasındaki sıcaklıklarda çalıştığı anlamına gelir. Araştırma, 200 °C (390 °F) çalışma sıcaklıkları ve oda sıcaklığında metal kombinasyonlarını araştırdı.

sodyum-kükürt

Sodyum sülfür batarya ilgili birlikte (NaS pil), lityum sülfür batarya ucuz ve bol miktarda elektrot malzemeleri kullanmaktadır. İlk alkali metal ticari pildi. Pozitif elektrot için sıvı kükürt ve beta-alümina katı elektrolitten (BASE) oluşan seramik bir tüp kullandı . Yalıtkan korozyonu bir problemdi çünkü yavaş yavaş iletken hale geldiler ve kendi kendine deşarj oranı arttı.

Yüksek özgül güçleri nedeniyle, uzay uygulamaları için NaS piller önerilmiştir. Uzay kullanımı için bir NaS pili 1997 yılında Uzay Mekiği görevi STS-87'de başarıyla test edildi , ancak piller uzayda operasyonel olarak kullanılmadı. NaS pilleri Venüs'ün yüksek sıcaklıktaki ortamında kullanım için önerilmiştir .

TEPCO (Tokyo Electric Power Co.) ve NGK (NGK Insulators Ltd.) tarafından oluşturulan bir konsorsiyum, 1983 yılında NaS pilini araştırmaya ilgi duyduklarını açıkladı ve o zamandan beri bu türün geliştirilmesinin arkasındaki ana itici güç oldu. TEPCO, Japonya'da tüm bileşen elementleri (sodyum, kükürt ve seramik) bol olduğu için NaS pili seçti. İlk büyük ölçekli saha testi, 1993 ve 1996 yılları arasında TEPCO'nun Tsunashima trafo merkezinde 3  ×  2 MW, 6.6 kV pil grupları kullanılarak gerçekleştirildi. Bu denemeden elde edilen bulgulara dayanarak, geliştirilmiş pil modülleri geliştirildi ve 2000 yılında ticari olarak kullanıma sunuldu. Ticari NaS pil bankası şunları sunar:

  • Kapasite : Banka başına 25–250 kWh
  • %87 verimlilik
  • %100 deşarj derinliğinde (DOD) 2.500 döngü veya %80 DOD'de 4.500 döngü ömrü

Sodyum-nikel klorür (Zebra) pil

Erimiş tuz pillerinin daha düşük sıcaklıklı bir çeşidi, 1985'te orijinal olarak elektrikli araç uygulamaları için geliştirilen ZEBRA (başlangıçta "Zeolite Battery Research Africa"; daha sonra "Sıfır Emisyonlu Piller Araştırma Etkinliği") pilinin geliştirilmesiydi. Pil, Na + -beta-alümina seramik elektrolitli NaAlCl 4 kullanır .

Na-NiCl
2
pil 245 °C'de (473 °F) çalışır ve erimiş sodyum tetrakloroalüminat kullanır ( NaAlCl
4
), elektrolit olarak 157 °C (315 °F) erime noktasına sahiptir. Negatif elektrot erimiş sodyumdur. Pozitif elektrottur nikel deşarj durumu ve nikel klorid şarj edilmiş olarak. Nikel ve nikel klorür, nötr ve bazik eriyiklerde neredeyse çözünmez olduklarından , yük transferine çok az direnç sağlayan temasa izin verilir. Her iki NaAlCl olduğundan
4
ve Na çalışma sıcaklığında sıvıdır, sıvı sodyumu erimiş NaAlCl'den ayırmak için sodyum iletken bir β-alümina seramik kullanılır.
4
. Bu pillerin üretiminde kullanılan birincil unsurlar, dünya çapında lityumdan çok daha yüksek rezervlere ve yıllık üretime sahiptir.

1985 yılında Pretoria, Güney Afrika'daki Bilimsel ve Endüstriyel Araştırma Konseyi'ndeki (CSIR) Zeolit ​​Pil Araştırma Afrika Projesi (ZEBRA) grubu tarafından icat edildi . NaCl, Al, nikel ve demir tozu kullanılarak boşalmış durumda monte edilebilir. Pozitif elektrot, çoğunlukla katı haldeki malzemelerden oluşur, bu da korozyon olasılığını azaltır ve güvenliği artırır. Özgül enerjisi 100 Wh/kg'dır; özgül güç 150 W/kg'dır. β-alümina katı seramik, sodyum metal ve sodyum alüminyum klorüre karşı reaktif değildir. Tam boyutlu pillerle 2.000'den fazla döngü ve yirmi yıl ve 10 ve 20 hücreli modüller ile 4.500'den fazla döngü ve on beş yıllık kullanım ömrü gösterilmiştir. Karşılaştırma için, LiFePO 4 lityum demir fosfat piller 90-110 Wh/kg depolar ve daha yaygın olan LiCoO 2 lityum-iyon piller 150-200 Wh/kg depolar. Bir nano lityum-titanat pil 72 Wh/kg depolar ve 760 W/kg güç sağlayabilir.

ZEBRA'nın sıvı elektroliti 157 °C'de (315 °F) donar ve normal çalışma sıcaklığı aralığı 270–350 °C'dir (520–660 °F). Hücreye demir eklemek, güç tepkisini arttırır. ZEBRA pilleri şu anda FZSoNick tarafından üretilmekte ve telekomünikasyon endüstrilerinde, Petrol&Gaz ve Demiryollarında yedek güç olarak kullanılmaktadır. Madencilikte kullanılan özel elektrikli araçlarda da kullanılmaktadır. Geçmişte Modec Electric Van'da, Iveco Daily 3.5 ton teslimat aracında, prototip Smart ED'de ve Th!nk City'de kullanıldı . 2011'de ABD Posta Servisi, biri ZEBRA piliyle çalışan tamamen elektrikli teslimat kamyonlarını test etmeye başladı.

2010 yılında General Electric bir Na-NiCl duyurdu
2
20 yıllık ömrü olan, sodyum-metal halide pil olarak adlandırdığı pil. Katot yapısı, iletken bir nikel ağı, erimiş tuz elektroliti, metal akım toplayıcı, karbon keçe elektrolit rezervuarı ve aktif sodyum-metal halid tuzlarından oluşur. 2015 yılında global bir yeniden yapılanma sonucunda şirket projeden vazgeçmiştir . 2017'de Çinli pil üreticisi Chilwee Group (Chaowei olarak da bilinir), endüstriyel ve enerji depolama uygulamaları için bir Na-NiCl pili pazara sunmak için General Electric (GE) ile yeni bir şirket kurdu.

Kullanılmadığı zaman, Na-NiCl
2
piller tipik olarak erimiş ve kullanıma hazır tutulur çünkü katılaşmalarına izin verilirse, yeniden ısınmaları ve şarj olmaları genellikle on iki saat sürer. Bu yeniden ısıtma süresi, pil paketi sıcaklığına ve yeniden ısıtma için mevcut güce bağlı olarak değişir. Kapatıldıktan sonra tam olarak şarj edilmiş bir pil paketi, beş ila yedi gün içinde soğumaya ve katılaşmaya yetecek kadar enerji kaybeder.

Sodyum metal klorür piller çok güvenlidir; bir termal kaçak sadece pilin delinmesiyle etkinleştirilebilir ve ayrıca bu olası olmayan durumda hiçbir yangın veya patlama meydana gelmez. Bu nedenle ve ayrıca soğutma sistemleri olmadan dış mekana kurulabilme olasılığı için, sodyum metal klorür pilleri endüstriyel ve ticari enerji depolama tesisatları için çok uygun hale getirin.

Sumitomo , 61 °C'de (142 °F) erimiş, sodyum bazlı pillerden çok daha düşük ve 90 °C'de (194 °F) çalışan bir tuz kullanan bir pil üzerinde çalıştı. 290 Wh/L ve 224 Wh/kg kadar yüksek enerji yoğunlukları ve 100 - 1000 şarj döngüsü ömrü ile 1C şarj/deşarj oranları sunar. Pil yalnızca yanıcı olmayan malzemeler kullanır ve ne hava ile temas ettiğinde tutuşur ne de termal kaçak riski vardır. Bu, atık ısı depolamayı veya yangına ve patlamaya dayanıklı ekipmanı ortadan kaldırır ve daha yakın hücre paketlemesine izin verir. Şirket, pilin lityum iyon pillerin hacminin yarısını ve sodyum-kükürt pillerin dörtte birini gerektirdiğini iddia etti. Hücre bir nikel katot ve bir camsı karbon anot kullandı.

2014'te araştırmacılar, 50 °C'de (122 °F) çalışan ve gram başına 420 miliamper saat üreten sıvı bir sodyum-sezyum alaşımı belirlediler. Yeni malzeme elektroliti tamamen kaplayabildi veya "ıslatabildi". 100 şarj/deşarj döngüsünden sonra, bir test pili ilk depolama kapasitesinin yaklaşık %97'sini korumuştur. Daha düşük çalışma sıcaklığı, artan sezyum maliyetinin bir kısmını dengeleyerek, çelik yerine daha ucuz bir polimer dış kaplamanın kullanılmasına izin verdi.

Sıvı metal piller

Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nden Profesör Donald Sadoway , hem magnezyum-antimon hem de daha yakın zamanda kurşun-antimon kullanarak sıvı metal şarj edilebilir pillerin araştırılmasına öncülük etti . Elektrot ve elektrolit katmanları, sıvı olana kadar ısıtılır ve yoğunluk ve karışmazlık nedeniyle kendi kendine ayrılır . Elektrotlar, şarj-deşarj döngüsü sırasında bir oluşturma ve yok etme döngüsünden geçtiklerinden, bu tür piller, geleneksel pil elektrotlarını etkileyen bozulmaya karşı bağışıklık kazanmalarını sağladığından, geleneksel pillerden daha uzun ömürlü olabilir.

Teknoloji, erimiş bir tuzla ayrılmış magnezyum ve antimon temel alınarak 2009 yılında önerildi . Magnezyum, düşük maliyeti ve erimiş tuz elektrolitindeki düşük çözünürlüğü nedeniyle negatif elektrot olarak seçilmiştir. Antimon, düşük maliyeti ve daha yüksek beklenen deşarj voltajı nedeniyle pozitif elektrot olarak seçilmiştir.

2011 yılında araştırmacılar, lityum anotlu ve kurşun-antimon katotlu, daha yüksek iyonik iletkenliğe ve daha düşük erime noktalarına (350-430 °C) sahip bir hücre gösterdiler. Li kimyasının dezavantajı daha yüksek maliyettir. 450 °C'de çalışan yaklaşık 0,9 V açık devre potansiyeline sahip bir Li/LiF + LiCl + LiI/Pb-Sb hücresinin elektroaktif malzeme maliyetleri 100 ABD Doları/kWh ve 100 ABD Doları/kW ve öngörülen 25 yıllık bir ömre sahipti. 1.1 A ° C'deki deşarj gücü / cm 2 % 44 (ve 0.14 A / cm 'de% 88 olan 2 ).

Deneysel veriler, iyi depolama kapasitesi (1000 mAh/cm 2 üzerinde ), düşük sızıntı (< 1 mA/cm 2 ) ve yüksek maksimum deşarj kapasitesi (200 mA/cm 2 üzerinde) ile %69 depolama verimliliği göstermektedir . Ekim 2014'e kadar MIT ekibi, yüksek şarj/deşarj oranlarında (275 mA/cm 2 ) yaklaşık %70'lik bir operasyonel verimlilik elde etti ; bu, pompalı-depolama hidroelektriğine benzer ve daha düşük akımlarda daha yüksek verimlilikler. Testler, 10 yıllık düzenli kullanımdan sonra sistemin ilk kapasitesinin yaklaşık %85'ini koruyacağını gösterdi. Eylül 2014'te bir çalışma, pozitif elektrot için erimiş kurşun ve antimon alaşımı, negatif elektrot için sıvı lityum kullanan bir düzenlemeyi tanımladı; ve elektrolit olarak erimiş bir lityum tuzları karışımı.

Son zamanlardaki bir yenilik, daha düşük erime noktalı lityum bazlı pil sağlayan PbBi alaşımıdır. LiCl-LiI bazlı erimiş tuz elektroliti kullanır ve 410 °C'de çalışır.

İyonik sıvıların, şarj edilebilir pillerde kullanım için hünerleri olduğu gösterilmiştir. Elektrolit, oda sıcaklığında sıvı faza sahip bir tuz kullanılarak elde edilen, ilave solvent içermeyen saf erimiş tuzdur. Bu, oldukça viskoz bir çözeltiye neden olur ve tipik olarak dövülebilir kafes yapılarına sahip yapısal olarak büyük tuzlarla yapılır.

Termal piller (şarj edilemez)

teknolojiler

Termal piller, ortam sıcaklıklarında katı ve aktif olmayan bir elektrolit kullanır. Süresiz olarak (50 yıldan fazla) depolanabilirler, ancak gerektiğinde anında tam güç sağlarlar. Aktive edildikten sonra, kısa bir süre için (birkaç on saniye ila 60 dakika veya daha fazla) yüksek güç patlaması sağlarlar ve çıkış watt ile kilowatt arasında değişir . Yüksek güç, yüksek olan iyonik iletkenlik daha büyüklük (veya daha fazla) değerinden üç tane olan (düşük iç direnç ile sonuçlanan) erimiş bir tuzunun sülfürik asit , bir de kurşun-asit araç pil .

Bir tasarım , elektrokimyasal reaksiyonu başlatmak için ısı peletlerinin kenarı boyunca bir fünye şeridi ( baryum kromat ve seramik kağıtta toz haline getirilmiş zirkonyum metali içeren) kullanır . Fünye şeridi, tipik olarak , bir elektrik akımı ile etkinleştirilen bir elektrikli ateşleyici veya squib tarafından ateşlenir .

Başka bir tasarım, pil yığınının ortasında, yüksek enerjili elektrikli ateşleyicinin sıcak gazlar ve akkor parçacıkların bir karışımını ateşlediği merkezi bir delik kullanır . Bu, kenar şeridi tasarımı için yüzlerce milisaniyeye kıyasla çok daha kısa etkinleştirme sürelerine (onlarca milisaniye) izin verir. Pil aktivasyonu, av tüfeği mermisine benzer bir vurmalı primer ile gerçekleştirilebilir . Isı kaynağı gazsız olmalıdır. Standart ısı kaynağı tipik olarak 88/12, 86/14 veya 84/16 ağırlık oranlarında demir tozu ve potasyum perklorat karışımlarından oluşur . Potasyum perklorat seviyesi ne kadar yüksek olursa, ısı çıkışı o kadar yüksek olur (nominal olarak sırasıyla 200, 259 ve 297  cal / g ). Etkinleştirilmemiş depolamanın bu özelliği, depolama sırasında aktif malzemelerin bozulmasını önleme ve pil etkinleştirilene kadar kendi kendine deşarj nedeniyle kapasite kaybını ortadan kaldırma gibi çifte faydaya sahiptir .

1980'lerde lityum alaşımlı anotlar, kalsiyum veya magnezyum anotların yerini kalsiyum kromat , vanadyum veya tungsten oksitlerin katotları ile değiştirdi . Lityum- silikon alaşımları, önceki lityum-alüminyum alaşımlarına göre tercih edilir. Lityum alaşımlı anotlarla kullanım için karşılık gelen katot , yüksek güçlü uygulamalar için kobalt disülfid ile değiştirilen esas olarak demir disülfürdür (pirit). Elektrolit genellikle a, ötektik bir karışım içinde , lityum klorür ve potasyum klorür .

Daha yakın zamanlarda, lityum bromür , potasyum bromür ve lityum klorür veya lityum florür bazlı diğer daha düşük erime noktalı ötektik elektrolitler de daha uzun çalışma ömürleri sağlamak için kullanılmıştır; ayrıca daha iyi iletkendirler. Lityum klorür , lityum bromür ve lityum florür (potasyum tuzları içermeyen) bazlı "tamamen lityum" elektrolit , yüksek iyonik iletkenliği nedeniyle yüksek güçlü uygulamalar için de kullanılır. 90 SrTiO 4 pelet formunda olduğu gibi bir radyoizotop termal jeneratör , aktivasyondan sonra pili erimiş halde tutarak uzun süreli ısı iletimi için kullanılabilir.

kullanır

Termal piller neredeyse sadece askeri uygulamalar için, özellikle güdümlü füzeler için kullanılmaktadır . AIM-9 Sidewinder , MIM-104 Patriot , BGM-71 TOW , BGM-109 Tomahawk ve diğerleri gibi birçok füze için birincil güç kaynağıdır . Bu pillerde elektrolit, kılcal hareketle onu yerinde tutan özel bir magnezyum oksit sınıfı tarafından eritildiğinde hareketsiz hale getirilir . Bu toz halindeki karışım, pil yığınındaki her bir hücrenin anot ve katodu arasında bir ayırıcı oluşturmak üzere peletlere preslenir . Elektrolit (tuz) katı olduğu sürece pil inerttir ve inaktif kalır. Her hücre ayrıca , hücreyi 400–550 °C'lik tipik çalışma sıcaklığına ısıtmak için kullanılan bir piroteknik ısı kaynağı içerir .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar