钠电池的工作原理是什么？

3.2.2.5钠β电池。

 

钠是一种很有吸引力的电池阳极材料。钠β电池使用固体电解质，特别是使用β氧化铝（β-Al2O3）作为电解质，在高温下具有良好的Na+导电性和电绝缘性[83]。β钠电池按正极材料分为钠硫（钠硫）电池和金属卤化钠（14、30、45、83）电池。NA-S是福特公司在20世纪60年代为电动汽车应用而专门开发的[84]。后来，这些电池开始广泛用于大规模的电力储存，以支持公用事业和电网[63，84，85]。电池具有高温特性，工作温度范围为300-350（[14,84,59,83]。此外，它具有足够的能量和功率密度，150-240Wh/kg和150-230W/kg[45,53]，4500个循环寿命周期[30,33,53,85]，高能效80-90%[45,53,63,86]，价格便宜，安全可靠。然而，电池有很高的内阻[45]，钠腐蚀性很强，需要加热到300摄氏度左右才能保持电极的熔化状态才能正常工作[59,63]。钠硫电池采用熔融固体钠为阳极，熔融硫磺为阴极，固态β-氧化铝陶瓷电解质[33,84]。

 

钠硫电池：（a）在放电和充电过程中，（b）钠硫电池的管状设计，（c）钠硫电池的原型[30，33，53，83]。

 

Na-S电池在放电和充电期间的化学性质如图所示[30,33,53,83]。在放电过程中，Na在Naβ界面氧化，产生正Na+离子，通过β-氧化铝电解质并与硫结合形成硫化钠（Na2Sx）。电子通过外部电路产生所需的输出电压。当电池充电时，电化学反应过程逆转[33,45,53,83,84]。

 

20世纪90年代以来，金属卤化钠电池技术在电动汽车上得到了应用，其电池电压高于钠硫电池[30]。这种类型的电池称为零排放电池（zebra）[3,87]。金属氯化钠（mecl2）电池在250-350℃【14,30】温度范围内的运行。与Na-S电池相比，Zebra电池具有更高的能量密度、更少的腐蚀性、本质安全性以及比Na-S电池更好的过充和过放电电阻，因为其半固态阴极[45,84]、更长的循环寿命和更低的电池成本[3,14]。然而，斑马电池的比功率相对较低，为150w/kg，需要热管理[14]和更严重的自放电[3,88,89]。na-nicl2、na-fecl2和na-ni-fecl2斑马电池可用于储能应用[87-89]。

 

这两种钠β电池之间的主要区别是额外使用氯化铝钠（NaAlCl4）作为第二种电解质[45]。ZEBRA电池的活性材料以熔融钠为阳极，固体β氧化铝陶瓷为主电解质，熔融氯化铝钠（NaAlCl 4）为辅助电解质，多孔金属氯化物（MECL2）为阴极（14）。金属氯化物可以是氯化镍（NiCl2）、氯化铁（FeCl2）或氯化镍铁（NiFeCl2）的组合。在na-s电池中的整个电化学反应如下：（7）。

 

 

 

 

显示了斑马电池原型设计的视图，其中标记有所有组件[45、83、87]。充放电过程中的电化学反应与钠硫电池相似。放电时，熔融的Na和NiCl2转化为镍和NaCl，充电时，过程逆转[83]，如方程式（7）。如果电池过充电，主电解质可以分解，熔融辅助电解液NaAlCl 4与倪结合形成NICL、熔融Na和AlCl 3，如方程式（8）所示，而不是以Na~+、Cl 2和AlCl 3〔14, 45, 87〕的形式分解NaAlCl 4。

 

 

 

NaNiCl2电池特别适用于大中型动力蓄电池和电动汽车。先进的斑马电池在长期使用中取得了显著的技术进步[89]。