優(yōu)勢明顯
從 20 世紀(jì) 80 年代末和 90 年代初開始，國外重點(diǎn)發(fā)展高溫鈉硫電池在固定場合下(如電站儲(chǔ)能)的儲(chǔ)能應(yīng)用，并逐漸顯示其優(yōu)越性。
2002 年開始，鈉硫電池進(jìn)入商品化實(shí)施階段。目前，日本東京電力公司(TEPCO)和NGK公司是商品高溫鈉硫電池的主要供應(yīng)商，其生產(chǎn)的高溫鈉—硫電池的實(shí)際比能量已大于 150Whkg-1，是鉛酸電池的3~4倍，應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)電站負(fù)荷調(diào)平、UPS 應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等。
不過，由于高溫鈉硫電池在移動(dòng)場合下的使用條件比較苛刻，在存放空間和電池安全性方面有一定的局限性，所以尚未得到大規(guī)模應(yīng)用。
傳統(tǒng)高溫鈉硫電池由于使用陶瓷電解質(zhì)需在300℃以上才能工作，存在一定的安全隱患;而且在放電過程中，硫的還原也不完全，僅能生成Na2S3(完全還原時(shí)應(yīng)生成Na2S)，降低了正極材料的容量和電池的比能量。
郭玉國告訴記者，基于液態(tài)電解質(zhì)的室溫鈉硫電池，則受限于硫正極電化學(xué)活性低、放電中間產(chǎn)物易溶于電解液等缺點(diǎn)，存在正極活性物質(zhì)利用率低、循環(huán)性能差等問題，嚴(yán)重影響了鈉硫電池的性能發(fā)揮和實(shí)際應(yīng)用。
那么，能否研制出一種高比能室溫鈉硫電池規(guī)避上述問題?
事實(shí)上，國際上已經(jīng)開展對于高比能室溫鈉硫電池的研究，但電池的循環(huán)穩(wěn)定性較差，一直未取得突破。郭玉國指出：“隨著這幾年硫碳正極材料研發(fā)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)室溫下的高比能鈉硫電池的可能性也漸漸加大。”
在此背景之下，鑒于鋰硫電池與室溫鈉硫電池之間的相似性，郭玉國與研究團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性地將小硫分子正極應(yīng)用于鈉硫電池中，并配合鈉負(fù)極和碳酸酯電解液組裝出室溫下即可工作的原型電池。
由于該鏈狀小硫分子室溫下具有非常高的對鈉電化學(xué)活性，放電過程中可完全被還原為Na2S，從而使得其基于硫質(zhì)量計(jì)算的正極首圈放電容量高達(dá)1610mAhg-1，是傳統(tǒng)高溫鈉硫電池中硫正極材料的理論容量的3倍。
而且，基于電極材料計(jì)算，該室溫鈉硫電池的首圈放電比能量可高達(dá)955Whkg-1，循環(huán)20圈后仍可穩(wěn)定在750Whkg-1左右。此外，該室溫鈉硫電池還具有良好的倍率和循環(huán)性能。
“這種新型的高比能室溫鈉硫電池由于采用新的納米材料，加工成本明顯降低，電池回收也沒有太大問題。而且，由于脫胎自鋰硫電池，相關(guān)的工藝也已經(jīng)較為成熟。”郭玉國說。
產(chǎn)業(yè)化意義重大
在沈宏文看來，郭玉國團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的新型鈉硫電池對于加快鈉硫電池產(chǎn)業(yè)化有重大意義，在核心技術(shù)層面的突破有望提升鈉硫電池的穩(wěn)定性，安全性、使用效率、規(guī)模化生產(chǎn)都有望逐漸成為現(xiàn)實(shí)。
“這對于我國鈉硫電池研究有重大意義，未來科研機(jī)構(gòu)會(huì)朝著這一方向不斷探索，以期能夠盡快攻克難關(guān)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作。”沈宏文說。
顯然，沈宏文的判斷不無道理。郭玉國告訴記者，一些長期從事鋰硫電池的國外學(xué)者，在參加國際會(huì)議聽取了他的報(bào)告后，都對制備這種室溫高比能鈉硫電池產(chǎn)生了濃厚的興趣，“他們表示未來可能會(huì)往該領(lǐng)域努力”。
在實(shí)驗(yàn)室取得決定性的成功后，研究團(tuán)隊(duì)下一步計(jì)劃打算制造鈉硫軟包電池。郭玉國表示：“如果成功了就接近工業(yè)化的程度，不過加工工藝還是需要繼續(xù)摸索，相關(guān)的理論原理已經(jīng)沒有問題，電池壽命將來應(yīng)該能達(dá)到與鋰離子電池相當(dāng)?shù)某浞烹?000次左右。”
他認(rèn)為，如果能夠借鑒鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化的經(jīng)驗(yàn)，并且吸引足夠的企業(yè)參與研發(fā)，“也許能加快產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程”。
但是，郭玉國強(qiáng)調(diào)，室溫高比能鈉硫電池畢竟只是在實(shí)驗(yàn)室獲得成功，距離最終商業(yè)化仍然有較長的一段路要走，“商業(yè)化之路任重道遠(yuǎn)，希望外界能理智客觀看待，不要出現(xiàn)盲目跟風(fēng)炒作的現(xiàn)象”。
沈宏文也指出，鈉硫電池技術(shù)層面的突破并沒有產(chǎn)生實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)驗(yàn)室仍將是鈉硫電池技術(shù)攻關(guān)的主要?jiǎng)恿Α?/p>
