钠硫电池工作原理及特性

钠硫电池工作原理及特性

就像江河中奔腾的流水，电流通过电网奔向千家万户时，也会不时掀起“波涛”，冲击用电设备，甚至引起事故。最近，上海科学家成功组装起了一套聪明的电能“蓄水池”，它能像水库蓄洪一样，将过多、过猛的电流储存起来，当电网需要的时候，再平稳地释放出来。

10月14日，中科院上海硅酸盐研究所与上海电力公司宣布：经过多年攻关，他们成功完成了大容量城网储能钠硫电池的中试研发，并建成了一条2兆瓦的中试生产示范线和一套10千瓦的储能系统示范装置。明年5月，储能电站将出现在世博会上。

在上硅所的嘉定中试园区，记者见到了这条示范线。一个个直径9.4厘米、长53厘米的不锈钢圆筒整齐地竖立在80厘米见方的不锈钢箱子里——这就是用来为电网“蓄洪”的钠硫电池。打开这些不锈钢圆筒，特制的氧化铝陶瓷薄膜将作为正极的硫与作为负极的钠隔开——当电流通过时，钠与硫就会通过化学反应，将电能储存起来，当电网需要更多电能时，它又会将化学能转化成电能，释放出去。

项目技术负责人之一、上硅所研究员刘宇告诉记者，钠硫电池的“蓄洪”性能非常优异，即使输入的电流突然超过额定功率5-10倍，它也能泰然承受，再以稳定的功率释放到电网中——这对于大型城市电网的平稳运行尤其有用。

太阳能、风能等新能源虽然洁净，但发电功率很不稳定。这会给整个电网带来不期而至的“洪峰”。储能电站会将这些“绿电”先照单全收，再根据电网需求输出。

其实，钠硫电池储能电站更大的作用在于为整个电网“削峰填谷”。众所周知，电网必须按照满足最大用电负荷来修建。2008年，上海最高用电负荷持续小时数只有104.5小时，而为满足这短暂的高峰负荷，却需要投资200亿元。

刘宇为记者算了一笔账：1千瓦功率的储能电池可节省电网投资1.3万元，通过“削峰填谷”，可使每吨标准煤所发的电多利用100度，可带来经济效益480元。预计到2015年，上海电网峰谷差可达16000兆瓦，即使只将20%的“谷电”存储起来，用于高峰时段，其经济效益就超过70亿元——而建设储能电站的投资，仅需20亿元左右。

在研发大容量电力储能系统的同时，科研人员还同步研发了生产线等关键设备100多台，积累了多项专利。目前，他们已建成2兆瓦中试生产线，每月可生产钠硫电池200-250个。“下一步，我们将联合更多企业力量，探索更大规模生产的工艺。”上硅所所地合作处处长夏天然告诉记者，仅上海一地可预见的市场规模就可达400亿元。

在文中关于电池放电机理的描述存在原则错误，不过我想这大概只是记者的失误。由于自己当年曾经投入不少时间在钠硫电池上，自然对此会有些想法。

当年放弃对钠硫电池的研究，主要是因为投入资金的几个协作单位，包括北京大学、北京玻璃研究所和北京电池厂都不愿意继续下去了。但即使他们愿意继续研究，其实也已经不太可能。这是因为虽然当时我们研究的电池功率密度已经比较高，甚至也开过一辆实验车，但其再充电寿命只有30周左右，远远达不到实用要求。况且几个单位的财力拮据，也根本不可能继续支持研究，提供根本改变研究途径的必要条件。

钠硫充电电池的寿命主要取决于两个因素，其一是正极与负极物质的反应导致电介质产生不可逆变化，从而在经过数十周的再充电以后容量和功率会逐渐减小；其二是由于电介质的变质或者其物质结构的破坏，最终在电池内部形成钠和硫的短路而烧毁。

解决这两个问题的中心问题是制造出长寿命的陶瓷固体电介质，比较可靠的方法是在高压下压铸高密度β氧化铝管坯，然后烧制成陶瓷。然而我们当时只能在常压下用注浆方法制备。按照我那会的看法，这种常压注浆会导致晶体的定向排列，对于所烧制的管件成品的强度、耐蚀性和导电性均有不利影响。但配备一台大型超高压制备系统谈何容易？估计就是卖了整个电池厂也未必够用。

从上面的文章和其他材料提供的信息看来，如今电池的再充电寿命问题大概是解决了。不过要想使钠硫电池得到真正的推广，还要解决几个十分重要的问题，在目前网上提供的材料中。我还没有看到足以说明问题答案：

1 安全问题：钠硫电池仅只在达到320度左右的温度，即仅当钠和硫都是处于液态的高温下才能运行。而如果陶瓷电介质一旦破损形成短路，高温的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应。这种反应虽然不会产生气体发生爆炸，但会产生高达2000度的高温，相当危险。我在一次连接一组已经加热到300度的钠硫电池时，由于一个电池单体中电介质管破裂，高达2000度的硫化钠烧熔了不锈钢电池壳，火焰冲到3米之高。我因为刚好回头去拿工具，躲过了这两秒钟，从而捡了一条命。

资料上说，钠硫电池的安全问题也已经解决。但我想，除非能在任何情况下将钠和硫完全隔绝，否则是谈不上安全的。作为车用电池，出现这种事故更意味着车毁人亡。因为作为两极的液态钠硫之间只能有用来导电的陶瓷电介质，而不可能以任何其他惰性、绝缘的高强度物质将其完全隔绝，所以解决这个问题很不容易。

当初美国福特公司采用了毛细电介质管来避免钠硫的大面积接触，但造价极高，商业推广是不现实的。

2 保温与耗能问题：在高温下运行的另一个问题是保温耗能的问题。钠硫电池在300度下才能启动，用不着进行什么分析就可以想到，这对于将其用作车用电池是一个颠覆性的缺点。用外电源保温当然十分不便，如用自身电力保温，则将大大影响最大行车里程；

3 环境影响与废电池处置问题：损坏的电池难于处置，这也是钠硫电池的软肋之一。无论在何种情况下损坏，不外需要处理下述几种物质：

1）金属钠：在空气中将立即自行燃烧，生成氧化钠，随后在空气中吸收水分，形成高腐蚀性氢氧化钠。如果遇到大量水，则还会立即引起爆炸。

2）混在导电纤维中的游离硫：如果在高温下，则生成腐蚀性二氧化硫气体，如果在低温下，则需要设法将导电纤维和硫分离，加以回收；

3）硫化钠：具有恶臭和腐蚀性的化合物，需要作为危险废物处理和处置。如果打算作为资源回收，则需要经过十分复杂的化学工艺和设备；

如果上述问题没有得到根本解决，恐怕钠硫电池作为车用电池大规模上市和应用是不可能的。

但如果如前文所说作为固定的大型储能电池来用，因为保温比较容易、设施远离工作人员，应用条件相对宽松，也许实用的可能性要大一些，不过如果一旦损坏，会危害电网运行、其环境影响，尤其是对大气和人员健康的影响程度比车用也更要大得多，投放市场仍需万分谨慎。

总之，我对于钠硫电池的推广和应用问题，如果还不是完全否定的话，也还是持比较悲观的态度。由于始终没有看到究竟现在钠硫电池的再充电寿命究竟是多少，对于上述问题究竟是如何处理和解决的。我觉得以现在的水平能不能称之为“成功”，还有待商榷。最好是等等，看看国外推广应用（如果有的话）的后果为好。千万不可急功近利，一哄而上。