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Energy Storage Materials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 和该研究的研究员。“与市售的高温钠电池技术相比，我们使用这种新的钠基化学物质在 100 °C ［212 °F］ 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 Imre Gyuk 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。”

此处显示的并网电池从可再生能源中收集能量，可以通过智能电网技术按需将其能量输送到电网。图片：Sara Levine，太平洋西北国家实验室

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传递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 100 Wh/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 170–250 Wh/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。

新的钠铝电池设计只允许钠（描绘为黄色球）穿过固态电解质为电池充电。由廉价的地球资源丰富的材料建造，如钠盐和铝棉，铝制造的废料，是一个优势。

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 Adena Power，向 PNNL 提供了他们获得的固态钠基电解质，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 Vince Sprenkle 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 多项设计储能系统和相关技术。“这是一个点，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。

太平洋西北国家实验室的研究团队研究如何将公用事业规模的太阳能和电池存储设施整合到其华盛顿州里奇兰总部附近设施的电网中。他们在这里监控和分析数据，以评估储存可再生能源和将间歇性可再生能源并入电网的经济效益。图片：Andrea Starr | 太平洋西北国家实验室

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。

“我们已经消除了对镍的需求，镍是一种相对稀缺且昂贵的元素，而不会牺牲电池性能，”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 电池兼研究合著者大卫·里德 （David Reed） 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，”他补充说。

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 Adena Power 总裁 Neil Kidner 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。”