优势明显
从 20 世纪 80 年代末和 90 年代初开始,国外重点发展高温钠硫电池在固定场合下(如电站储能)的储能应用,并逐渐显示其优越性。
2002 年开始,钠硫电池进入商品化实施阶段。目前,日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司是商品高温钠硫电池的主要供应商,其生产的高温钠—硫电池的实际比能量已大于 150Whkg-1,是铅酸电池的3~4倍,应用目标瞄准电站负荷调平、UPS 应急电源及瞬间补偿电源等。
不过,由于高温钠硫电池在移动场合下的使用条件比较苛刻,在存放空间和电池安全性方面有一定的局限性,所以尚未得到大规模应用。
传统高温钠硫电池由于使用陶瓷电解质需在300℃以上才能工作,存在一定的安全隐患;而且在放电过程中,硫的还原也不完全,仅能生成Na2S3(完全还原时应生成Na2S),降低了正极材料的容量和电池的比能量。
郭玉国告诉记者,基于液态电解质的室温钠硫电池,则受限于硫正极电化学活性低、放电中间产物易溶于电解液等缺点,存在正极活性物质利用率低、循环性能差等问题,严重影响了钠硫电池的性能发挥和实际应用。那么,能否研制出一种高比能室温钠硫电池规避上述问题?事实上,国际上已经开展对于高比能室温钠硫电池的研究,但电池的循环稳定性较差,一直未取得突破。郭玉国指出:“随着这几年硫碳正极材料研发的进步,实现室温下的高比能钠硫电池的可能性也渐渐加大。”
在此背景之下,鉴于锂硫电池与室温钠硫电池之间的相似性,郭玉国与研究团队开创性地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室温下即可工作的原型电池。由于该链状小硫分子室温下具有非常高的对钠电化学活性,放电过程中可完全被还原为Na2S,从而使得其基于硫质量计算的正极首圈放电容量高达1610mAhg-1,是传统高温钠硫电池中硫正极材料的理论容量的3倍。而且,基于电极材料计算,该室温钠硫电池的首圈放电比能量可高达955Whkg-1,循环20圈后仍可稳定在750Whkg-1左右。此外,该室温钠硫电池还具有良好的倍率和循环性能。“这种新型的高比能室温钠硫电池由于采用新的纳米材料,加工成本明显降低,电池回收也没有太大问题。而且,由于脱胎自锂硫电池,相关的工艺也已经较为成熟。”郭玉国说。