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钠硫电池(NaS)作为一种新型化学电源,自问世以来已有了很大发展。钠硫电池体积小、容量大、寿命长、效率高,在电力储能中广泛应用于削峰填谷、应急电源、风力发电等储能方面。通常情况下,钠硫电池由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成,与一般二次电池(铅酸电池、镍镉电池等)不同,钠硫电池是由熔融电极和固体电解质组成,负极的活性物质为熔融金属钠,正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。固体电解质兼隔膜由工作温度在300~350度。在工作温度下,钠离子()透过电解质隔膜与S之间发生可逆反应,形成能量的释放和储存。
钠硫电池作为一种高能固体电解质二次电池最早发明于20世纪60年代中期,早期的研究主要针对电动汽车的应用目标,包括美国的福特、日本的YUASA、英国的BBC以及铁路实验室、德国的ABB、美国的Mink公司等先后组装了钠硫电池电动汽车,并进行了长期的路试但长期的研究发现,钠硫电池作为储能电池优势明显,而用作电动汽车或其他移动器具的电源时,不能显示其优越性,且早期的研究并没有完全解决钠硫电池的安全可靠性问题,因此钠硫电池在车用能源方面的应用最终被人们放弃。然而,由于其高的比功率和比能量、低的原材料成本、温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势,使得钠硫电池成为目前最具市场活力和应用前景的储能电池。钠硫电池单体的比能量高,可大电流、高功率放电,无放电污染、无振动、低噪声,利于环境保护;钠硫电池的理论比能量高达760Wh/kg,没有自放电现象,放电效率几乎可达100%;单体的额定电压为2V,我国目前设计容量达到650Ah,功率120W以上;将多个单体电池组合后形成模块。模块的功率通常为几十千瓦,通过模块串联可以很容易达到兆瓦级,直接用于大型储能;循环充放电次数按300次/a(90%DOD)计算,其寿命可以达到15a左右;另外,其重量和体积仅为铅酸电池的1/5~1/3。与其他蓄电池不同的是,钠硫电池的工作温度为290~360℃,要通过保温箱进行模块封装和集成。温控系统的好坏直接影响到钠硫电池的工作状态和寿命。目前NGK的钠硫电池已经成功地应用于城市电网的储能中,有200余座500 kW以上功率的钠硫电池储能电站,日本等国家投入商业化示范运行,电站的能量效率达到80%以上。除较大规模在日本应用外,还已经推广到美国、加拿大、欧洲、西亚等国家和地区。储能站覆盖了商业、工业、电力、供水、学校、医院等各个部门。此外,钠硫电池储能站还被应用于可再生能源发电的储能,对风力发电等的输出进行稳定。按2010年国家电网对清洁能源做出的预计,到2020年,我国风电装机和太阳能发电装机将分别达到1.5亿kW和2000万kW,按20%的容量配置储能,仅可再生能源发电领域就有3400万kW的储能市场需求。如果1000万kW采用钠硫电池,按15元/W估算,产值可以达到1500亿元。随着国内钠硫电池本体性能和保温箱模块集成技术的不断提高,一旦实现商业化,则大型电力储能项目会在短时间内迅速增加。
据中金企信国际咨询公布的《2020-2026年中国钠硫电池行业市场分析及投资前景研究预测报告》统计数据显示:大容量钠硫电池在规模化储能方面的成功应用以及钠与硫在资源上的优势,激发了人们对钠硫电池更多新技术开发的热情,钠硫电池储能技术的发展势头将在较长的时间内继续保持并不断取得新进展。
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