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專家開講:深入了解電池技術──Part 9 (鈉硫電池)

上網時間: 2014年07月18日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:鈉硫電池  高溫  化學  能量密度  低成本 

資深工程師Ivan Cowie的電池專欄這次要介紹的是鈉硫電池(Sodium Sulfur,又稱NaS電池)。

讓我們先來介紹鈉硫(Na2S4)電池的歷史,以下是該技術的發展要點:

˙它是在1966年由福特汽車(Ford Motor Company)的Joe Kummer與 Neil Weber發明。

˙有一個測試版本被應用在太空梭中。

˙福特1991年曾在一款Ecostar展示車上採用這種電池(該車款未量產)。

˙全世界最大的運作中鈉硫電池在美國德州,用以做為電力網路的備援。

˙三菱材料(Mitsubishi Materials)筑波工廠外安裝的一個日本礙子(NGK)製造鈉硫電池,曾因為故障而引發火災。

˙日本京都大學與住友電氣(Sumitomo Electric Industries)在2011年開發了較低溫版本的鈉硫電池。

鈉硫電池以其超高能量密度、優異的循環壽命,以及低成本材料、高效率而馳名;不過這種電池的缺點則是需要高溫運作(將鈉熔解),而且事實上這種絕緣體是很脆弱的,基於安全性考量,必須保護鈉不接觸到濕氣。另一個常見的問題是,鈉硫電池的化學物質在較高放電深度操作時會形成不良的Na2S2固體。

而鈉硫電池的主要應用領域是做為電力網路的儲存,不過這種電池也具備應用在大樓以及交通運輸系統的潛力。以下是鈉硫電池的基本規格:

˙能量比(specific energy):150~760 Wh/kg (高溫運作版本);

˙能量密度(Energy density):151 Wh/L;

˙功率比(specific power):200W/kg;

˙放電效率(Discharge efficiency):72%~ 90%;

˙能量/消費價格(Energy/consumer price):1美元0.4Wh;

˙運作或儲存壽命(Service or shelf life):多數狀態下為2~5年(有的可到15年);

˙循環耐久性(cycle durability):在80%循環深度(DOD)下>4,200;

˙標稱電壓(nominal cell voltage):2V;

˙截止電壓(Cutoff voltage):1.78 ~1.9V;

˙運作溫度(Temperature):內部350°C (原始版本),新版本為100°C ~ 150°C。

化學反應式

2Na + 4S → Na2S4 或:

2Na + 3S → Na2S3 或:

2Na + (SSCH2CH2)n → Na2SSCH2CH2 ,在90°C~100°C熔解溫度、poly (ethylenedisulfide)型態之下。

在電池芯進行充電與放電時,通常會在S5、S4、S3與 S2等幾種硫的型態之間交換。

應用

以下幾張圖片是描述鈉硫電池的一些有趣的應用,還有鈉硫電池的特性。

典型鈉硫電池在電力網路中的應用與結構
典型鈉硫電池在電力網路中的應用與結構
(來源:NGK)

大型、高溫鈉硫電池模組的脈衝電壓與放電時間比較
大型、高溫鈉硫電池模組的脈衝電壓與放電時間比較

 Na<sub>2</sub>S<sub>3</sub>的荷電狀態與電池電壓的關係
Na2S3的荷電狀態與電池電壓的關係
(來源:J. L. Sudworth, 1981)

下次專欄再見!

編譯:Judith Cheng

(參考原文: All About Batteries, Part 9: Sodium Sulfur (NaS),by Ivan Cowie,MaxVision首席工程師)

延伸閱讀

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 1(專欄介紹)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 2-1(電池基本介紹與專業術語)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 2-2(電池基本介紹與專業術語)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 2-3(電池基本介紹與專業術語)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 3(鉛酸電池)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 4(鹼性電池)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 5(碳鋅電池)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 6(鋅空氣電池)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 7(鋰亞硫酸氯電池)

˙專家開講:深入了解電池技術──Part 8(鋅/氧化銀電池)





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