中国粉体网讯 近年来，锂离子电池被市场充分激活，技术成熟度迅速提高，因而发展势头强劲，占据了中国和美国储能市场绝大部分份额，但是掌握钠硫电池成熟技术的日本，却仍将钠硫电池作为电化学储能技术的第一选择。这其中有哪些原因和发展过程呢？
日本钠硫电池的发展及应用现状
据中国粉体网的了解，虽然钠硫电池早期在国内外航空航天和电动汽车等领域开展应用示范，但是钠硫电池的储能商业化运作是始于1983年日本碍子株式会社（NGK公司）和东京电力公司的合作，开发用于静态能量存储的钠硫电池储能系统。
2002年，NGK公司正式量产钠硫电池，并通过东京电力公司开发储能系统投入商业运行，目前在全球运行了超过200个储能电站项目，4GWh以上的钠硫电池储能系统。
（图源：NGK官网）
然而，2011年9月，东京电力公司为三菱材料株式会社筑波厂安装的钠硫电池（NGK生产）系统发生火灾，这一事件在一定程度上造成了业界对于钠硫电池安全性的担忧。
其后，NGK先对正在运行的钠硫电池电站的模组和系统进行安全隐患维护，并对新生产的电池在电芯层面和模块层面同时采取了多种提高安全保障的新措施。通过采取一系列应对举措后，从2013年开始，NGK生产的钠硫电池在日本、阿联酋和欧洲等国家和地区持续有大型储能项目上线。
2016年3月，NGK公司和九州电力株式会社共同推出的50MW/300MWh钠硫电池储能系统改善电力供需平衡的示范项目开始运行，是当时全球最大的大容量储能电站。
2019年，NGK在阿布扎比酋长国完成的一个项目使用了108MW/648MWh的钠硫电池储能系统，持续放电时间达6h。
在意大利，钠硫电池的电芯和模块经过了严谨的风险评估，包括内源性短路和外源性火灾、地震、洪水、直接和间接闪电、蓄意破坏、高空坠落等滥用场景。评估结果显示，经过安全性提升的钠硫电池技术具有较高的安全可靠性。
钠硫电池的内部构造及工作原理
据NGK的介绍，钠硫电池的单电池为圆筒状的完全密封结构。是由作为活性物质的钠(Na)和硫磺(S)以及精细陶瓷的电解质构成。Na为负极活性物质，S为正极活性物质。在300℃的单节电池中，Na和S是液体，电解质是固体的状态。固体电解质的陶瓷材料使用了Na离子导电性的β氧化铝。
放电时，负极的钠释放出电子成为钠离子，通过固体电解质向正极移动。正极的硫和从外部回路的电子Na离子发生化学反应，变化为多硫化钠(Na2Sx)。负极的Na被消耗减少。从负极向外部回路被释放出的向正极移动的电子流变成为电力。
充电时，由于从外部的电力供给，发生放电反应的逆反应。从外部施加电压，正极的Na2Sx分离为Na离子，S，电子。Na离子通过固体电解质，向负极移动。在负极Na离子接收电子还原为Na。
钠硫电池的优良特性及应用需求
优良特性
1)比能量高。目前，钠硫电池的实际能量密度已达到240Wh/kg和390Wh/L以上，与三元锂离子电池相当。
2)功率密度高。用于储能的钠硫单体电池功率可达到120W以上，形成模块后，模块功率通常达到数十千瓦，可直接用于储能。
3)长寿命。电池可满充满放循环4500次以上，寿命为10~15年。
4)库伦效率高。由于采用固体电解质，电池几乎没有自放电，充放电效率约为100%。
5)环境适应性好。由于电池通过保温箱恒温运行，因此环境温度适应范围广，通常为–40~60℃。
6)电池运行无污染。电池采用全密封结构，运行中无振动、无噪声，没有气体放出。
7)电池原料成本低廉，无资源争夺隐患，结构简单，维护方便。
钠硫电池与锂离子电池应用于储能的主要技术参数
应用需求
储能钠硫电池可针对极端环境（如高热、高寒、高盐腐蚀等）下的风能、太阳能等可再生能源发电企业配套大容量、安全可靠的储能系统；为载人潜艇、陆军战车、水下平台等提供动力，服务国防科技事业；为第五代移动通信技术（5G）通信基站、数据中心等室内用电大户提供备用电源，为国家的节能减排事业及“碳中和”战略做出贡献。
储能钠硫电池的应用领域为锂离子电池技术提供有益补充，其主要的应用场景如下：
极端环境应用：事实上，传统的液体电解质基二次电池难以满足极端高低温应用需求。具有较高的能量密度、10年以上运行寿命和对环境温度不敏感等特性的固体电解质基钠硫电池被证明非常适合极端高低温的应用场景。在热带沙漠气候的阿拉伯联合酋长国，钠硫电池被认为是比锂离子电池更优异的储能技术。在日本，钠硫电池被选择成为火箭发射场的备用电源。
长时储能：近年来，锂离子电池在新型储能建设中占据绝对主导地位，但它们的供电持续时间很少能超过4h。虽然锂离子电池在技术上可以实现更长时间的放电，但是出于资源稀缺和安全性的考虑，将它用于长时储能的成本通常高于它的价值。
钠硫电池已在全球范围内提供容量超过540MW/3780MWh的储能系统，显示了有效的调峰、负载均衡和节能减排的能力，被认为是最有效的额定输出6h以上的长时电化学储能电池之一。同时，钠硫电池具有模块化扩展的特性，有潜力提供8h以上或更长时的供电系统。
钠硫电池生产制造的核心技术
高温钠硫电池电芯的核心技术包括了β"-氧化铝精细陶瓷的烧制、电池密封技术、负极润湿保护管设计、正极外壳防腐蚀和正负极装填技术等。
首先，β"-氧化铝精细陶瓷的质量和一致性深刻影响电池的电化学性能和安全特性，是最为关键的一环。
其次，任何一个密封部件的损坏都会导致正负极材料的蒸汽直接接触而发生反应，因此电池密封技术成为钠硫电池的核心技术之一。
再次，熔融硫和多硫化钠对金属具有强腐蚀性，因此包括作为正极集流体的外壳在内的接液部件的防腐蚀技术也是钠硫电池实用化的关键。
最后，电池正负极的有效装填及其与固体电解质之间界面的润湿层设计是电池高性能运行的必备要素。
参考来源：
胡英瑛等：储能钠电池技术发展的挑战与思考
胡英瑛等：储能钠硫电池的工程化研究进展与展望
NGK官网
（中国粉体网编辑整理/平安）
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