根據剛剛發表在Energy Storage Materials上的一項研究，一種新的電池設計可以幫助以較低的成本將可再生能源輕松整合到國家電網中，使用地球上豐富的金屬。由能源部太平洋西北國家實驗室領導的一個研究小組證明，用低成本金屬鈉和鋁構建的電網儲能電池的新設計提供了通往更安全、更具可擴展性的固定儲能系統的途徑。

“我們證明，這種新型熔鹽電池設計具有比其他傳統高溫鈉電池快得多的充電和放電速度、在較低溫度下運行并保持出色的儲能能力的潛力，”材料科學家李國盛說。在 PNNL 和該研究的研究員。“與市售的高溫鈉電池技術相比，我們使用這種新的鈉基化學物質在 100 °C ［212 °F］ 的溫度下獲得了類似的性能，同時使用了地球上儲量更豐富的材料。”

提供更多儲能

支持這項研究的美國能源部電力儲能計劃辦公室主任 Imre Gyuk 指出，“這種電池技術采用低成本的國內可用材料制造，使我們離實現國家清潔能源目標又近了一步。”

此處顯示的并網電池從可再生能源中收集能量，可以通過智能電網技術按需將其能量輸送到電網。圖片：Sara Levine，太平洋西北國家實驗室

新型鈉基熔鹽電池使用兩種不同的反應。該團隊此前報道了一種中性熔鹽反應。新發現表明，這種中性熔鹽可以進一步反應變成酸性熔鹽。至關重要的是，這第二種酸性反應機制增加了電池的容量。具體來說，在高電流下進行 345 次充電/放電循環后，這種酸性反應機制保留了 82.8% 的峰值充電容量。

電池在放電過程中所能傳遞的能量稱為比能量密度，用“瓦時每千克”（Wh/kg）表示。盡管該電池處于早期或“紐扣電池”測試階段，但研究人員推測它可能會產生高達 100 Wh/kg 的實用能量密度。相比之下，商用電子產品和電動汽車中使用的鋰離子電池的能量密度約為 170–250 Wh/kg。然而，新的鈉鋁電池設計具有價格低廉且易于在美國使用更豐富的材料生產的優勢。

“通過優化，我們預計比能量密度和生命周期可以達到更高和更長，”李補充道。

新的鈉鋁電池設計只允許鈉（描繪為黃色球）穿過固態電解質為電池充電。由廉價的地球資源豐富的材料建造，如鈉鹽和鋁棉，鋁制造的廢料，是一個優勢。

鈉電池大顯身手

事實上，PNNL 的科學家與美國可再生能源先驅 Nexceris 的同事合作組裝和測試電池。Nexceris 通過他們的新業務 Adena Power，向 PNNL 提供了他們獲得的固態鈉基電解質，以測試電池的性能。這個關鍵的電池組件允許鈉離子在充電時從電池的負（陽極）側移動到正（陰極）側。

PNNL 電池技術 Vince Sprenkle 說：“我們這項技術的主要目標是在 10 到 24 小時內以低成本每天將太陽能轉移到電網中，”他擁有 30 多項設計儲能系統和相關技術。“這是一個點，我們可以開始考慮將更高水平的可再生能源整合到電網中，以利用風能和太陽能等可再生資源提供真正的電網彈性。”

Sprenkle 是開發這種電池的新型柔性設計團隊的一員，該設計還將電池從傳統的管狀形狀轉變為扁平的、可擴展的形狀，隨著技術從硬幣大小的電池發展到更大的電池，這種電池更容易堆疊和擴展網格規模的示范規模。

更重要的是，這種扁平電池設計允許通過簡單地使用更厚的陰極來增加電池容量，研究人員在這項工作中利用它來展示在實驗室條件下持續放電 28.2 小時的三倍容量電池。

大多數當前的電池技術，包括鋰離子電池，都非常適合短期儲能。為了滿足 10 小時以上的儲能需求，需要開發新型、低成本、安全且持續時間長的電池概念，超越當前的電池技術。這項研究為實現該目標提供了有希望的實驗室規模示范。

太平洋西北國家實驗室的研究團隊研究如何將公用事業規模的太陽能和電池存儲設施整合到其華盛頓州里奇蘭總部附近設施的電網中。他們在這里監控和分析數據，以評估儲存可再生能源和將間歇性可再生能源并入電網的經濟效益。圖片：Andrea Starr | 太平洋西北國家實驗室

網格彈性主題的變體

存儲可再生能源產生的能量并按需將其釋放到電網的能力推動了電池技術的快速發展，許多新設計都在爭奪注意力和客戶。每個新變體都必須滿足其自身利基用途的需求。一些電池，例如那些采用 PNNL 的凍融電池設計的電池，能夠儲存季節性產生的能量數月之久。

與季節性電池相比，這種新設計特別擅長 12 至 24 小時的中短期電網儲能。它是所謂的鈉金屬鹵化物電池的變體。采用鎳陰極作為系統一部分的類似設計已被證明在商業規模上是有效的，并且已經可以在市場上買到。

“我們已經消除了對鎳的需求，鎳是一種相對稀缺且昂貴的元素，而不會犧牲電池性能，”李說。“與鎳相比，使用鋁的另一個優勢是鋁陰極充電速度更快，這對于實現這項工作中展示的更長放電時間至關重要。”

隨著這一里程碑的實現，該團隊正專注于進一步改進以增加放電持續時間，這可以大大提高電網靈活性，以更好地整合可再生能源。

PNNL 電池兼研究合著者大衛·里德 （David Reed） 說，由于它在較低溫度下運行，因此可以使用廉價的電池材料制造，而不是像傳統的高溫鈉電池那樣需要更復雜、更昂貴的組件和工藝。

以更低的成本存儲更多的電網儲能

Sprenkle 說，到 2023 年，使用鋰離子電池進行電網儲能的儲能能力約為 4 小時。“如果我們能夠達到材料和制造的預期成本目標，這個新系統可以顯著增加儲存的能量容量，”他補充說。

作為研究的一部分，研究人員估計，基于廉價原材料的鈉鋁電池設計的活性材料成本僅為每千瓦時 7.02 美元。通過優化和提高實際能量密度，他們預計可以進一步降低成本。這種有前途的低成本、電網規模的存儲技術可以使風能和太陽能等間歇性可再生能源為國家電網做出更大的貢獻。

研究合著者、鈉固態電池制造商 Adena Power 總裁 Neil Kidner 正在與 PNNL 合作推進鈉基電池技術。“這項研究表明，我們的鈉電解質不僅適用于我們的技術，而且適用于鈉鋁電池設計，”他說。“我們期待繼續與 PNNL 研究團隊合作，共同推進鈉電池技術的發展。”