一张图看懂钠硫电池

开发新型涂层，防腐蚀和提升导电性两个方向
陶瓷管制备技术
问题描述：
性能强烈依赖工艺。制备方式与一般陶瓷类似，但
因组分含有较多易挥发的Na2O而略有不同。 现有工艺：
工艺类型
优点
缺点
反应烧结法 工艺简单
具有明显双重结 构；烧结温度高， 时间长，增加成 本，Na2O易挥 发。
部分合成法
利于制备显微 结构均匀的细 晶陶瓷材料
元件间增加熔断丝 电池模块之间放置绝缘板
安装防火板
来源：NGK
钠硫电池研究和制备中的一些关键工艺技术，
07 对最终电池的性能起到重要作用
工艺流程 电极
陶瓷管
封装
装配
单体 电池
硫极集流体防腐蚀技术
问题描述：
集流体容易被液态S和Na2Sx腐蚀，使电池退化 解决方案：
开发新工艺新合金，提升铝合金集流体的耐温性
技术层面——我国钠硫储能技术已达到世界领先
中科院上海硅酸盐所是国际上早
期研发液流电池技术的机构之
一，积累了坚实的技术基础。
2006年，上硅所与上海市电力
公司合作，自主研发出了650安
时储能用大容量单体钠硫电池。
此后又将它推到工程化研究，研
发出了2兆瓦的小批量平台。
我国成为了除日本之外唯一能达
NGK是全球唯一一个具有商业化投运项目的
12 钠硫电池技术厂商，占据了绝对的市场主导
图12-1 NGK历年钠硫电池销售额
受到2011年起火事件影响，NGK公司暂时停止了该产品销售。 NGK于2012年10月开始恢复钠硫电池的生产和供应。 20 日元( Bil.)
0
-20
来源： NGK年报，新材料在线整理
动力电池
美国西北太平洋国家实验室 （PNNL）对中温Na-S电池进行 了研究，设计了平板式的钠硫电 池结构并取得了较好的结果。
室温钠硫电池的研究借鉴了锂 硫电池的概念。室温钠硫电池存 在着正极活性物质利用率低、循 环性能差等问题。
2014年，中科院化学研究所郭 玉国团队取得突破，将小硫分子 正极应用于钠硫电池中，并配合 钠负极和碳酸酯电解液组装出了 室温电池，性能表现优异。
图11-2 全球钠硫电池专利区域分析图
2011年9月的起火事件，对钠硫电池的发展产生了影响。以此事件为 分界线，最近10年间钠硫电池的技术研发可以分为三个阶段。
a.各国加速研发NaS技 术，日本居领先地位
c.专利申请 b.日本放缓， 有所放缓 美中韩加大研
发力度
来源：国家知识产权局，新材料在线整理
图11-1 全球钠硫电池专利申请区域分析
截止到2015年10月底，全球钠硫电池的专利申请总数累计2205件。 其中，日本以46.4%的比例位居榜首，美国和中国分别以21.86%和 9.4%的比例位居二、三位。
日本 中国 韩国 法国 其他
美国 英国 德国 加拿大
来源： 国家知识产权局，新材料在线整理
开发新型 玻璃封装 材料及技 术
装配
单体 电池
电池 模组
α-Al2O3陶瓷 /金属
常用技术为热压封 装，利用铝作为金 属和陶瓷之间的连 接层。然而在电池 350℃的工作温度 下，铝和金属的界 面扩散层会逐渐增 大，最终会削弱封 接的效果
在金属表 面镀铬
注钠技术
问题描述： 单质钠易燃、易氧化，注钠是一个关键步骤也是一 个难点。早期注钠有两种方法，一种通过手套箱， 另一种采用电解NaNO3，存在效率和成本上的问 题，不适合工业化生产 解决方案： 采用注钠设备 包括直接注钠技术和预制钠罐技术
陶瓷管
封装
密封技术
问题描述：
钠硫电池是一种全密封结构，密封技术关系到钠硫
电池的性能、寿命以及安全可靠性
解决方案：
密封类型
难点
解决方案
β”-Al2O3陶瓷 /α-Al2O3陶瓷
钎料对陶瓷难于润 湿，陶瓷具难扩散 特性；反应烧结的 连接方法需要高温 高压；微波连接技 术仅适用于简单形 状的陶瓷材料
上海市电力公司与 上海硅酸盐研究所 合作开发储能钠硫 电池
2006
目前主要作为储能电 池开发研究，全球已 建成200多个钠硫电池 储能项目
来源：新材料在线整理
不同于常规二次电池，钠硫电池由熔融液态
05 电极和固态电解质构成
图5-1 钠硫电池的结构
β”— Al2O3陶瓷管
分子式：Na2O ·5.33Al2O3 良好的离子导电特性 同时做为隔膜和电解质。
到这一水平的国家。
产业化进程——目前国内处于钠硫电池示范阶段
崇明岛示范项目
南京将军路示范项目
中国科学院上海硅酸盐研究所与上 海电气（集团）总公司、国家电网 上海市电力公司合作完成。
南瑞继保与NGK合作完成
钠硫电池较高的运行温度是钠硫电池的局限
14 性之一，针对这点也提出了一些研究方向
中温钠硫电池 室温钠硫电池
钠芯结构
液态金属钠 作为负极
硫电极
液态硫，往往需要导电载体 作为正极
来源：Chen et al. Progress in Natural Science
图5-2 钠硫电池的工作原理示意图
来源：NGK
钠硫电池的优势和劣势同样非常突出，一方
06 面吸引研究者关注，另一方面限制了其应用
钠硫电池的优缺点对比
2015 钠硫电池 研究报告
新材料在线
2015年10月
01 国外知名研究/咨询机构看好储能产业前景
图1-1 知名机构对储能市场的预测
$ Bil.
600
400 180 114
2016
2017
2018
2019
2020
2021
ห้องสมุดไป่ตู้
来源：新材料在线整理
图1-2 麦肯锡：决定未来经济的12大颠覆技术
来源：McKinsey&Company
84.4MW
来源：CNESA，新材料在线整理
电池的成本在储能成本中占据重要的地位，
10 钠硫电池可能面临锂离子电池的成本竞争
图10-1 美国钠硫电池储能系统成本比例
钠硫电池在钠硫储能系统中的所占的成本比例约为45%。
45%
NAS电池 PCS与系统集成 非重复性工程投入 现场人工 工厂到现场 电池安装框架
图3-2 各种储能技术适用领域
削峰填谷
黑启动
可再生能 源并网
分布式 储能
调频调峰
大功率负 载平滑
铅酸电池 钠硫电池 锌镍电池 钒电池 锂电池 压缩空气 蓄水 飞轮 超导电容
来源：海通证券研究所，新材料在线整理
钠硫电池经历了从动力电池到储能电池的发
04 展阶段
动力电池阶段
最初目标为电动汽车 1967
来源：： U.S.Department of Energy，新材料在线整理
表10-1 几种储能技术在不同领域的成本对比
目前钠硫电池的成本稍低于锂离子电池。而钠硫电池的技术比较成
熟，技术门槛高，有能力生产的企业数目少，成本下降的空间相对有
限
锂离子电池研究者众多，技术进步速度快，产能大，在规模效应的推
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比尔·盖茨看好钠硫电池作为动力 电池，并大笔投资了初创公司 （Aquion Energy）。动力钠硫 电池的发展赖于安全性的解决。
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02 可再生能源是推动储能产业发展的重要因素
图2-1 欧盟计划的可再生能源结构比例
欧盟在《2050年能源路线图》中预计：到2050年，其可再生能源占全 部能源需求的比例将从目前的10%上升到55%以上
来源：Roadmap 2050
图2-2 可再生能源并网储能市场的预测
储能技术可以有效调节可再生能源发电对电网的冲击，是支撑高比例 可再生能源并网的关键技术。预计储能市场将迎来爆发式增长。
来源：中国知网， 新材料在线整理
图6-1 日本NGK的钠硫电池安全措施
2011年，日本东京电力能源公司所使用的钠硫电池发生起火事件。 经调查着火原因是一个电池元件失灵。渗漏了熔融材料，熔融材料流
入电池模块间的区域，导致相邻模块中电池单元之间的短路。电池元 件之间没有安装保险丝，短路引发高温，最终引起了模块间的火灾。 对此NGK出台了相关的安全措施以提升钠硫电池的安全性：
高能量超 级电容器
钠硫电池 超级铅酸电池
锂离子电池 传统铅酸电池
镍镉电池
镍氢电池
高功率飞轮储能
大功率超级电容器
抽水 储能
压缩空气 储能
1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW
系统输出功率
来源：Rastler et al. EPRI：Palo CA 949 2010，新材料在线整理
钠硫电池 锂离子电池 铅蓄电池 其他
40%
总装机规模
845.3MW
来源：CNESA，新材料在线整理
图9-2 2014年中国储能累计装机比例（按技术）
锂离子电池占据了我国储能市场装机的最大份额，为74%，其次是铅 蓄电池和液流电池，分别为14%和10%。 锂离子电池 铅蓄电池 液流电池 其他
总装机规模
烧结温度高，时间 长
软化学方法
降低了合成温 工艺复杂，时间长，
度
能耗大
图7-1 上硅所批量制备的β-氧化铝陶瓷管
电池 模组
来源：宋树丰等，东方电气评论，2011 & 温兆银等，供用电，2010 & 新材料在线整理
钠硫电池研究和制备中的一些关键工艺技术，
08 对最终电池的性能起到重要作用
工艺流程 电极
来源：宋树丰等，东方电气评论，2011 & 温兆银等，供用电，2010 & 新材料在线整理
西方国家钠硫电池应用较为成熟，我国钠硫
09 电池储能尚在起步阶段
图9-1 2014年全球储能累计装机比例（按技术）
从技术分布上看，全球钠硫电池的累计装机比重最大，为40%，其次 是锂离子电池和铅蓄电池，分别占33%和11%。
用动力电池。
美国福特公司 （ Ford ） 发 明 了 世界上首个钠硫 电池
中科院上海硅酸盐 研究所开始进行钠 硫电池技术的研究
1968
由于安全性和可靠性 的制约，20世纪末此 研究陷入了困境。
储能电池阶段
应用目标开始转为储 1992
能应用。包括：削峰
填谷、UPS、瞬间补
偿电源
日 本 NGK 公 司 建 设 了第一个示范电站， 并 于 2002 年 实 现 商 业化
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优势
VS
劣势
能量密度高： 理论能量密度760（W·h）/Kg 功率密度高：可达230W/Kg 循环寿命长：可达10~15年 循环效率高：可达80%以上 材料成本低： 原材料资源丰富，价格低
高温工作环境： 300-350℃工作需要额外的热源 安全性能差： S易燃，陶瓷管破裂短路易起火 腐蚀问题：电池容易腐蚀 成本较高： 约为400~600美元/度
图12-2 NGK未来几年的市场预期
来源：NGK年报
我国已经在钠硫电池技术取得了一定突破，
13 目前已进入示范阶段，处于产业化的前期
政策层面——国家大力支持储能产业
国家大力支持储能产业的发展，国务院办公厅印发《能源发展行动计 划（2014-2020）》将储能列为九大重点创新领域之一。
制约我国钠硫电池商业化应用的一个重要因素就是成本。业界认为政 策的扶持将是国内钠硫电池突破示范，走向商业化道路的关键因素。
$ 2917.76 million
$ 31.88 million
来源：Navigant Research
钠硫电池是重要的电化学储能技术，也是适
03 用领域最广的储能技术之一
图3-1 各种储能技术及适用范围
应急/不间断供电
电网调节
能量管理
小
额时 定 功 率 下分 放钟 电 时 间秒
金属空气电池
液流电池
动下成本下降速度较快。
单位电能成本 削峰填谷
（$/kWh)
储能电站
新能源并网 储能电站
分布式 储能系统
铅酸电池储能
-
-
0.10
钠硫电池储能
0.17
0.35
0.13
锂电池储能
0.21
0.39
0.16
来源：海通证券研究所，新材料在线整理
钠硫电池技术门槛较高，从专利布局的情况
11 可以看出日本在该领域具有绝对的领先地位