Sodyum - sülfür pil - Sodium–sulfur battery

Sodyum-sülfür pilin kesit şematik diyagramı.

Bir sodyum sülfür batarya türüdür erimiş tuz pil sıvı inşa sodyum (Na) ve sülfür (S) dir. Bu tip pil, yüksek enerji yoğunluğuna , yüksek şarj / deşarj verimliliğine ve uzun çevrim ömrüne sahiptir ve ucuz malzemelerden üretilmiştir. Sodyum polisülfidlerin 300 ila 350 ° C çalışma sıcaklıkları ve oldukça aşındırıcı doğası, onları öncelikle sabit enerji depolama uygulamaları için uygun hale getirir. Hücre boyutu arttıkça daha ekonomik hale gelir.

İnşaat

Tipik piller , anot, katot ve membranın sıvı olduğu sıvı metal pillere kıyasla anot ve katot arasında katı bir elektrolit membrana sahiptir .

Hücre , genellikle silindirik bir konfigürasyonda yapılır. Hücrenin tamamı , içten korozyona karşı genellikle krom ve molibden ile korunan çelik bir mahfaza ile çevrelenmiştir . Bu dış kap, pozitif elektrot görevi görürken, sıvı sodyum negatif elektrot görevi görür. Kap, üstte hava geçirmez bir alümina kapakla kapatılır. Hücrenin önemli bir parçası, seçici olarak Na + ileten bir BASE ( beta-alümina katı elektrolit ) zarının varlığıdır . Ticari uygulamalarda hücreler, daha iyi ısı tasarrufu için bloklar halinde düzenlenir ve vakumla yalıtılmış bir kutu içinde kaplanır.

Operasyon

Deşarj aşaması sırasında, çekirdekteki erimiş elementel sodyum anot görevi görür , yani Na'nın elektronları dış devreye bağışlaması anlamına gelir . Sodyum, bir beta-alümina katı elektrolit (BASE) silindiri ile , katot görevi gören inert bir metalden imal edilen erimiş kükürt kabından ayrılır . Kükürt, bir karbon süngeri içinde emilir .

BASE, 250 ° C'nin üzerindeki sodyum iyonlarının iyi bir iletkenidir , ancak zayıf bir elektron iletkenidir ve bu nedenle kendi kendine deşarjı önler. Sodyum metal, onları ayıran bir oksit tabakası nedeniyle TABANI 400 ° C'nin altında tamamen ıslatmaz; Bu sıcaklık, TABAN'ı belirli metallerle kaplayarak ve / veya sodyuma oksijen alıcılar eklenerek 300 ° C'ye düşürülebilir, ancak bu durumda bile ıslatma 200 ° C'nin altında başarısız olacaktır.

Sodyum bir elektron verdiğinde , Na + iyonu kükürt kabına geçer. Elektron, erimiş sodyumdan kontağa, elektrik yükünden geçerek kükürt kabına bir elektrik akımı gönderir. Burada başka bir elektron sülfürle reaksiyona girerek S n 2− , sodyum polisülfür oluşturur . Tahliye süreci şu şekilde temsil edilebilir:

2 Na + 4 S → Na 2 S 4 (E hücresi ~ 2 V)

Hücre boşalırken sodyum seviyesi düşer. Şarj aşaması sırasında tersine işlem gerçekleşir. Çalıştırıldıktan sonra, şarj etme ve boşaltma döngüleri tarafından üretilen ısı, çalışma sıcaklıklarını korumak için yeterlidir ve genellikle hiçbir harici kaynağa gerek yoktur.

Emniyet

Saf sodyum , hava ve nem ile temas ettiğinde kendiliğinden yanması nedeniyle tehlike arz eder, bu nedenle sistem sudan ve oksitleyici atmosferlerden korunmalıdır.

2011 Tsukuba Fabrikası yangın olayı

21 Eylül 2011 sabahının erken saatlerinde, Tokyo Electric Power Company'ye ait, elektrik depolamak için kullanılan ve Tsukuba, Japonya Mitsubishi Materials Corporation fabrikasında kurulan NGK tarafından üretilen 2000 kilovatlık bir NaS pil sistemi alev aldı. Olayın ardından NGK, NaS pillerinin üretimini geçici olarak askıya aldı.

Geliştirme

Amerika Birleşik Devletleri

Ford Motor Company , 1960'larda erken model elektrikli arabalara güç sağlamak için bataryaya öncülük etti .

2009 itibariyle, Utah'da Ceramatec tarafından daha düşük sıcaklıklı katı elektrot versiyonu geliştiriliyordu . Tüm bileşenlerin katı kalmasıyla 90 ° C'de çalışmaya izin vermek için bir NASICON membran kullanırlar.

2014 yılında araştırmacılar, 150 ° C'de çalışan ve gram başına 420 miliamper üreten bir sıvı sodyum-sezyum alaşımı belirlediler. Materyal, elektroliti tamamen kapladı ("ıslattı"). 100 şarj / deşarj döngüsünden sonra, bir test bataryası ilk depolama kapasitesinin yaklaşık% 97'sini muhafaza etti. Daha düşük çalışma sıcaklığı , çelik yerine daha ucuz bir polimer dış kılıfın kullanılmasına izin vererek , sezyum kullanımıyla ilişkili artan maliyetin bir kısmını telafi etti.

Japonya

NaS pili, 1980 yılında "Ayışığı Projesi" kapsamında MITI tarafından yoğun araştırma için aday olarak seçilen dört pil türünden biriydi . Bu proje, 10 yıllık bir projede aşağıda gösterilen kriterleri karşılayan dayanıklı bir yardımcı güç depolama cihazı geliştirmeyi amaçladı. .

  • 1.000 kW sınıfı
  • Nominal yükte 8 saat şarj / 8 saat deşarj
  • % 70 veya daha iyi verimlilik
  • 1.500 döngü veya daha iyi kullanım ömrü

Diğer üçü iyileştirilmiş kurşun-asit , redoks akışı (vanadyum tipi) ve çinko-bromür pillerdi .

TEPCO ( Tokyo Electric Power Co.) ve NGK ( NGK Insulators Ltd.) tarafından oluşturulan bir konsorsiyum , 1983 yılında NaS pilini araştırmakla ilgilendiklerini açıkladı ve o zamandan beri bu tipin geliştirilmesinin arkasındaki ana itici güçler haline geldi. TEPCO, NaS pilini seçti çünkü tüm bileşen elementleri (sodyum, kükürt ve seramik) Japonya'da bol miktarda bulunuyor. İlk büyük ölçekli saha testi, 1993 ile 1996 yılları arasında TEPCO'nun Tsunashima trafo merkezinde 3 x 2 MW, 6,6 kV akü bankası kullanılarak gerçekleştirildi. Bu denemeden elde edilen bulgulara dayanarak, geliştirilmiş pil modülleri geliştirildi ve 2000 yılında ticari olarak satışa 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 kullanım ömrü

Bir gösteri projesi, Japonya Rüzgar Geliştirme Şirketi'nin Japonya'daki Miura Rüzgar Parkı'nda NaS pilini kullandı.

Japan Wind Development, Mayıs 2008'de Aomori Eyaletindeki Futamata'da 34 MW sodyum sülfür pil sistemi içeren 51 MW'lık bir rüzgar çiftliği açtı.

2007 yılı itibarıyla Japonya'da 165 MW kapasite kurulmuştur. NGK, 2008 yılında NaS fabrika üretimini 90 MW'tan 150 MW'a çıkarma planını duyurdu.

2010 yılında Xcel Energy , yirmi adet 50 kW sodyum-sülfür bataryaya dayalı bir rüzgar çiftliği enerji depolama bataryasını test edeceğini duyurdu. 80 tonluk, 2 yarı römork büyüklüğündeki akünün 1 MW şarj ve deşarj hızında 7,2 MW · h kapasiteye sahip olması bekleniyor. O zamandan beri NGK , 2019'da BAE'deki 10 sahaya dağıtılan toplam 108 MW / 648 MWh'lik sanal bir tesis de dahil olmak üzere birkaç büyük ölçekli dağıtım duyurdu .

Mart 2011'de Sumitomo Electric Industries ve Kyoto Üniversitesi , 100 ° C'nin altında güç üretebilen düşük sıcaklıkta erimiş sodyum iyon pil geliştirdiklerini açıkladılar. Piller, Li-iyonun iki katı enerji yoğunluğuna ve önemli ölçüde daha düşük maliyete sahiptir. Sumitomo Electric Industry CEO'su Masayoshi Matsumoto, şirketin 2015 yılında üretime başlamayı planladığını belirtti. İlk uygulamaların bina ve otobüs olması öngörülüyor.

Zorluklar

İzolatörlerin aşınmasının, sert kimyasal ortamda, kademeli olarak iletken hale gelmeleri ve kendi kendine deşarj oranlarının artması nedeniyle bir sorun olduğu bulunmuştur. Dendritik sodyum büyümesi de bir problem olabilir.

Başvurular

Şebeke ve bağımsız sistemler

NaS pilleri, elektrik şebekesini desteklemek için veya bağımsız yenilenebilir enerji uygulamaları için kullanılabilir. Bazı piyasa koşullarında, NaS pilleri enerji arbitrajı (elektrik bol / ucuz olduğunda pili şarj etmek ve elektrik daha değerli olduğunda şebekeye deşarj olmak) ve voltaj regülasyonu yoluyla değer sağlar . NaS pilleri, özellikle rüzgar çiftlikleri ve güneş enerjisi üretim tesisleri olmak üzere yenilenebilir enerji üretimini desteklemek için olası bir enerji depolama teknolojisidir . Bir rüzgar çiftliği durumunda, batarya yüksek rüzgar ancak düşük güç talebi zamanlarında enerji depolayacaktır. Depolanan bu enerji daha sonra en yoğun yük dönemlerinde pillerden boşaltılabilir . Bu güç değişimine ek olarak, sodyum sülfür piller rüzgar çiftliğinin rüzgar dalgalanmaları sırasında güç çıkışının dengelenmesine yardımcı olmak için kullanılabilir. Bu tür piller, diğer depolama seçeneklerinin mümkün olmadığı yerlerde enerji depolama için bir seçenek sunar. Örneğin, pompalı depolama hidroelektrik tesisleri önemli alan ve su kaynakları gerektirirken, basınçlı hava enerji depolaması ( CAES ) tuz mağarası gibi bir tür jeolojik özellik gerektirir.

2016 yılında Mitsubishi Electric Corporation, dünyanın en devreye büyük sodyum-sülfür pili içinde Fukuoka Prefecture , Japonya. Tesis, yenilenebilir enerji kaynaklarıyla yoğun zamanlarda enerji seviyelerini yönetmeye yardımcı olmak için enerji depolama hizmeti sunmaktadır.

Uzay

Yüksek enerji yoğunluğu nedeniyle, NaS bataryası uzay uygulamaları için önerilmiştir. Sodyum sülfür hücreleri uzay kalitesine uygun hale getirilebilir: Aslında Uzay Mekiği'nde bir test sodyum sülfür hücresi uçtu . NaS uçuş deneyi, 350 ° C'de çalışan, 150 W · h / kg (3 x nikel-hidrojen pil enerji yoğunluğu) özel enerjiye sahip bir pil gösterdi. Kasım 1997'de STS-87 görevinde başlatıldı ve 10 günlük deneysel çalışma gösterdi.

Venüs Landsailing avare gezici ve yararlı yük, bir soğutma sistemi olmadan Venüs'ün sıcak yüzey üzerinde yaklaşık 50 gün işlevi için tasarlanmıştır edilmektedir olarak görev kavramı, pilin bu tür kullanımı düşünmektedir.

Taşıma ve ağır makineler

Sodyum-sülfür pillerin ilk büyük ölçekli kullanımı, 1991 yılında bir elektrikli araç prototipi olan Ford "Ecostar" gösteri aracında gerçekleştirildi. Bununla birlikte, sodyum sülfür pillerin yüksek çalışma sıcaklığı, elektrikli araç kullanımı için zorluklar yarattı . Ecostar asla üretime geçmedi.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar