中国联合工程公司 杭州
摘要：随着社会的发展，能源紧缺问题日益加剧，其中，电力资源问题更是受到人们的高度重视。目前，钠硫电池是一种备受关注的储能技术，在日本、北美、欧洲的电力系统中的应用得到迅速发展，但在我国则是处于刚起步状态，不免存在一系列问题。下面本文就钠硫储能电池行业现的状及发展趋势展开简要论述，以期对我国电池储能行业提供微薄之力。
关键词：钠硫储能电池；工作原理；现状；趋势
0 前言
随着社会经济的发展，电力需求随之增加，同时，白天和夜间的电力峰谷的差异也越来越大，能源短缺的问题越来越严重。近年来，虽然新能源发电技术发展迅速，产业规模、经济性和市场化进程也正在逐年提高，但是，风能和太阳能发电具有不稳定和不连续性，不利于大规模开发。因此，可以将不稳定的电力收集起来并在适当的时间将其平稳释放出来，该储能装置在广阔的新能源领域，有着不可替代的作用，展现出了出非常好的发展前景。
现如今，在各种能量储存技术的使用中，钠硫电池具有优越的性能，并逐渐引起研究者的关注。钠硫电池是一种具有优良特性的二次电池，并且具有能量密度高、无自放电现象、运行寿命长、易于安装维护以及与外界环境友好等许多优点。钠硫电池的历史比较久远，公认为最初的是美国福特公司于1966年发布的。近年来，该电力系统在北美洲、日本、欧洲的应用得到了快速发展，并在输电系统有、无功支持和多功能电能存储系统中具有广阔的应用前景
1 钠硫储能电池的基本概述
现如今，在世界上对硫钠电池的研究国家和单位主要包括美国犹太州盐湖城的Beta电能公司（β-PowerLtd），英国的氯化物无声公司（Britsh Chloride Silent Ltd），西德的BBC公司（Browh Boveri＆Ｃie Ｃo．）以及日本的ＮＧＫ公司。其中日本公司在关于钠硫电池的研究上开展得很早，而美国的 Ｂeta电能公司的研制工作，开展最活跃，研究结果最有代表性
1.1 钠硫电池的工作原理
中心钠负极设计的管式钠硫电池结构如图1所示。电池以金属钠（Na）和单质硫（S）与碳（C）的复合物分别用作阳极和阴极的活性物质，Beta-氧化铝（Beta-Al2O3）陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。
钠硫电池的化学反应式如下：
2Na+xS= Na2Sx
新组建的钠硫电池一般处于完全荷电的初始状态。钠硫电池在300℃工作环境下进行放电的初始阶段（硫含量为100% ~ 78%），正正极由液态硫与液态的 Na2S 5.2 形成非共溶液相，电池的电动势约为2.076 V，当放电发生Na2S3出现时，电池电动势会降低到1.78 V，当放电到Na2S2.7出现时，对应的电动势会变成1.74V，直到液相消失。
图1 中心钠负极设计的管式钠硫电池结构图
1.2 钠硫储能电池的基本生产工艺
1.2.1 钠硫电池材料的制备。钠硫电池含有多种无机材料，这些材料包括电解质陶瓷隔膜、正负极之间的绝缘陶瓷、封接使用的玻璃、金属焊料、导电碳以及金属电极和活性物质钠等材料。钠硫电池性能在很大程度上取决于这些材料的特性，高性能材料和其部件是钠硫电池高性能、高可靠性的保障。
Beta-氧化铝电解质陶瓷是其中的核心材料，它是一种利用钠离子导电的铝酸钠，具有复杂的结构组成以及层状结构和液相烧结等特性；充分利用双ZETA 技术，是材料中的化学成分、显微结构等高度均匀，并在突破介质体系研究的基础上，实现了陶瓷材料成本低、绿色、工程化制备。大量制备的Beta-氧化铝陶瓷管，其壁厚为1.5mm至2 mm，相对密度大于99%，无形变陶瓷的抗折强度达到 250 MPa 以上，到温度达到300℃时，导电率可达到0.15×10-3 S/cm。
1.2.2 钠硫电池的制备：
（1）材料组合技术。钠硫电池的制备涉及多种材料的组合工艺，比如电极材料的复合制备技术、组件的封接技术、金属焊接工艺等。以陶瓷/金属焊接为例子，该技术在钠硫电池装配过程中是个难点。通过研制成功钠硫电池的绝缘陶瓷与导电连接件的真空热压封接的组合技术，实现的相对位移量仅为1%到2%，对位移的控制精度约超过千分之一。
（2）在年产2MW钠硫电池能力的中试生产线上，是很多关键设备是自主研发的，如陶瓷烧结炉、连续真空热压炉、气氛金属焊接、批量化真空金属焊接和电池评价和筛选系统等。在连续真空热压系统中包括真空、加热、冷却、液压、程控、传输等九大联动系统，该系统实现了自动操作，该程序控制设计链条在1000以上。在解决关键技术的基础上，制备成功容量达到650A?h的大容量钠硫电池。现如今，钠硫电池的循环寿命达到360次以上，比能量为150W?h/kg，电池前200次的循环退化率为0.02%/次，电池的寿命可高达10a。关于电池的一致性和长期稳定性是目前急需要解决的问题。
2 钠硫储能电池行业在国内的发展现状
2006年8月，上海市电力公司和上海硅酸盐研究所一起开展了关于钠硫单体电池的研究项目，在2007年一月成功研制了大容量的650Ah的单体钠硫电池，使我国在世界上成为仅次于日本的第二个真正掌握钠硫电池核心技术的国家。上海市电力公司和上海硅酸盐研究所在2007年8月正式投资建设“上海钠硫电池发展基地”，在大容量存储电池模块、城市电网接入系统和能源存储系统等方面展开研究，研制基地目前承担了国家科技支撑、上海市科委重大项目以及国家电网、中国科学院的钠硫储能电池科研项目。2009年2月贯通了钠硫储能电池中试线，形成了年产2兆瓦钠硫电池存储容量，已成功开发了功率为10千瓦的子模块并且在稳定运行；2010年的上海世博会已显示100千瓦级的钠硫电池储能系统，并计划在未来几年里形成几十兆瓦的生产能力。2012年1月12日，电气钠硫储能技术有限公司成立，是由上海电气（集团）总公司、中国科学院硅酸盐研究所和国家电网上海市电力公司三方合资成立。
芜湖海力事业有限公司20世纪80年代开始研究钠硫电池，在2007年4月申请并获得大功率钠硫电池国家发明专利。加快大功率钠硫电池生产脚步，芜湖海力事业有限公司投资2000千万与清华大学达成长期合作协议，在芜湖机械工业开发区建立了大功率钠硫电池生产线。高功率钠硫电池项目由芜湖海力有限公司和香港磊鑫国际投资集团公司共同出资建设，总投资约为3.5亿元，建设完成后年产可达到6KW及500KW的大功率钠硫电池共10万台套。海力公司在2 0 0 1年已经获得国家《实用新型专利》证书，具有完全自主知识产权，研制出的电池产品通过了清华大学相关实验室的多项数据测试，现在处于中试阶段。
3 钠硫储能电池行业的发展展望
钠硫电池储能具有独特的优势，主要体现在大容量、能量的储存和转换效率非常高、使用寿命长等优点。钠硫电池已成功应用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出和提高电能质量等方面。目前国外已有100多台钠硫电池储能电站正在运行工作，涉及工业、商业、交通、电力等行业，该电池是各种先进的二次电池最成熟的一种，也是一种先进的最有前途的储能电池。但目前在陶瓷粉体的生产、陶瓷管加工和硫极容器防腐性能以及电池结构设计等方面也存在一些问题，笔者认为，对于这些问题的解决将成为今后研究的重点，也是决定钠硫电池发展方向的关键所在。
4 结束语
储能技术是智能电网和可再生能源发展的基础，但目前，国际上大型储能技术的发展还处于起步阶段，可以实用的储能技术并不多，钠硫电池技术是一种比较成熟的大型储能技术。在我国实现钠硫电池规模应用的主要问题是成本和电池的稳定性，通过产业化推进和深入的研究以及政府的政策鼓励和支持，预计在不久的将来钠硫电池储能技术可以充斥我国的各行各业。
参考文献：
[1]陈昆刚，林祖纕，樊增钊，等.β″—AlO3陶瓷的表面研究[J].无机材料学报，12（5）（1997）：725-728.
[2]孙丙香．钠硫电池储能应用现状研究［Ｊ］．现代电力，2010，27（６）：62袁志强 ．
[3]钠硫电池储能系统在上海电网的应用研究［Ｊ］．供用电，2010，27（3）：1
[4]俞振华.大容量储能技术的现状与发展［Ｊ］．中国电力企业管理，2009（70）：26
论文作者:匡中付,王盛,杨晨,叶冬,柴子彦,张明锋
论文发表刊物:《北方建筑》2016年12月第35期
论文发表时间:2017/3/29
标签：电池论文; 储能论文; 技术论文; 材料论文; 陶瓷论文; 电力论文; 芜湖论文; 《北方建筑》2016年12月第35期论文;