根据刚刚发表在《储能材料》上的一项研究，一种新的电池设计可以帮助以较低的成本将可再生能源整合到国家的电网中，使用地球上丰富的金属。由能源部太平洋西北国家实验室领导的一个研究小组证明，用低成本金属钠和铝构建的电网储能电池的新设计为更安全，更具可扩展性的固定储能系统提供了途径。
“我们发现，这种新的熔盐电池设计有可能比其他传统的高温钠电池更快地充电和放电，在较低的温度下运行，并保持出色的储能能力，”PNNL材料科学家，该研究的首席研究员李国生说。“这种新的钠基化学物质在比市售的高温钠电池技术低100°C(212°F)的温度下获得了类似的性能，同时使用更丰富的地球材料。
提供更多储能
支持这项研究的美国能源部电力，储能计划办公室主任ImreGyuk指出：“这种电池技术是用低成本的国内可用材料建造的，使我们更接近实现我们国家的清洁能源目标。
新的钠基熔盐电池使用两种不同的反应。该团队之前报告了中性熔盐反应。新发现表明，这种中性熔盐可以进一步反应成酸性熔盐。至关重要的是，第二种酸性反应机制增加了电池的容量。具体来说，在高电流下进行345次充电/放电循环后，这种酸性反应机制保留了82.8%的峰值充电容量。
电池在放电过程中可以提供的能量称为其比能量密度，表示为“每公斤瓦特小时”(Wh/kg)。尽管电池处于早期阶段或“纽扣电池”测试中，但研究人员推测，它可能导致高达100Wh/kg的实际能量密度。相比之下，商用电子产品和电动汽车中使用的锂离子电池的能量密度约为170-250Wh/kg。然而，新的钠铝电池设计具有便宜且易于在美国用更丰富的材料生产的优点。
“通过优化，我们预计比能量密度和生命周期可以达到更高更长的时间，”李补充道。
新的钠铝电池设计仅允许钠(描绘为黄色球)通过固态电解质为电池充电。由廉价的地球丰富材料制成，如钠盐和铝棉，铝制造的一种废料，是一个优势。学分：萨拉·莱文|太平洋西北国家实验室
钠电池展现其勇气
事实上，PNNL科学家与美国可再生能源先驱Nexceris的同事合作组装和测试电池。Nexceris通过其新业务AdenaPower向PNNL提供了其专利的固态钠基电解质，以测试电池的性能。这种关键的电池组件允许钠离子在充电时从电池的负极(阳极)传播到正极(阴极)。
“我们对这项技术的主要目标是在10到24小时内实现低成本的日常太阳能转移到电网中，”PNNL电池技术专家VinceSprenkle说，他拥有30多项储能系统和相关技术的专利设计。“这是一个甜蜜点，我们可以开始考虑将更高水平的可再生能源整合到电网中，以从风能和太阳能等可再生资源中提供真正的电网弹性。
Sprenkle是开发这种电池新的灵活设计的团队的一员，该设计还将电池从传统的管状形状转变为扁平，可扩展的形状，随着技术从硬币大小的电池发展到更大的电网规模演示尺寸，可以更容易地堆叠和扩展。
更重要的是，这种扁平电池设计允许通过简单地使用更厚的阴极来增加电池容量，研究人员在这项工作中利用它来展示在实验室条件下持续放电28.2小时的三容量电池。
目前的大多数电池技术，包括锂离子电池，都非常适合短期储能。为了满足10多个小时储能的需求，需要开发新的、低成本的、安全的、长寿命的电池概念，超越当前最先进的电池技术。这项研究为实现这一目标提供了一个有希望的实验室规模演示。
储存可再生能源产生的能量并按需将其释放到电网的能力推动了电池技术的快速发展，许多新设计都在争夺注意力和客户。每个新变体都必须满足其自身利基用途的需求。一些电池，例如具有PNNL冻融电池设计的电池，能够一次将季节性产生的能量存储数月。
与季节性电池相比，这种新设计特别擅长12至24小时的中短期电网储能。它是所谓的钠金属卤化物电池的变体。使用镍阴极作为系统一部分的类似设计已被证明在商业规模上有效，并且已经商业化。
“我们已经消除了对镍的需求，镍是一种相对稀缺和昂贵的元素，而不会牺牲电池性能，”李说，“使用铝而不是镍的另一个优点是铝阴极充电更快，这对于实现更长的放电持续时间至关重要在这项工作中展示。
随着这一里程碑的实现，该团队正专注于进一步改进以增加放电持续时间，这可以大大提高电网的灵活性，以更好地纳入可再生能源。
而且由于它在较低的温度下工作，它可以用廉价的电池材料制造，而不是像传统的高温钠电池那样需要更复杂和昂贵的组件和工艺，PNNL电池专家和研究合著者DavidReed说。
以更低的成本提供更多的电网储能
Sprenkle说，到2023年，使用锂离子电池的电网储能技术约为四个小时的储能容量。“如果我们能够达到材料和制造的预期成本目标，这个新系统可以显着增加存储的能源容量，”他补充说。
作为研究的一部分，研究人员估计，基于廉价原材料的钠铝电池设计对于活性材料的成本仅为每千瓦时7.02美元。通过优化和提高实际能量密度，他们预计可以进一步降低这一成本。这种有前途的低成本、电网规模的存储技术可以使风能和太阳能等间歇性可再生能源更动态地为国家的电网做出贡献。
钠固态电池制造商AdenaPower的研究合著者和总裁NeilKidner正在与PNNL合作推进钠基电池技术。“这项研究表明，我们的钠电解质不仅与我们的专利技术配合使用，而且还与钠铝电池设计配合使用，”他说。“我们期待继续与PNNL研究团队合作，以推进钠电池技术。