室温钠硫电池硫正极催化剂的研究进展

室温钠硫电池因其正负极材料丰富的自然资源、低廉的成本和优异的能量密度被视为极具竞争力的电化学储能系统。然而,严重的穿梭效应和缓慢的反应动力学是制约室温钠硫电池可持续发展和实际应用的两大障碍。在硫正极中引入适当的催化剂被广泛证明是一种可以抑制多硫化物的穿梭效应并促进其氧化还原动力学的有效策略,并在近年来成为了该领域的研究焦点。本文从材料设计和优化的角度入手,首先总结了在室温钠硫电池硫正极中被报道的金属、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属碳化物、MXenes、金属单原子及其他在内的各种主流催化剂,并讨论了调节催化剂的吸附和催化性质的各种有效调节策略,包括尺寸缩减、缺陷工程、电化学钠化及异质结工程等。最后,针对室温钠硫电池正极用催化剂的研究现状指出了其未来的发展趋势,并基于室温钠硫电池面临的重大挑战,从基础理论研究和实用化设计两个层面展望了其未来的发展方向。

催化材料调控室温钠硫电池性能的进展与挑战

室温钠硫电池因理论能量密度高(1274 Wh/kg,基于硫的质量)、资源丰富、价格低廉等优势,在大规模储能、动力电池领域备受青睐。然而,要实现Na-S电池中良好的可逆性、可循环性、活性物质高利用率,最终实现钠硫电池的商业化仍然极具挑战性。不仅需要解决多硫化物溶解和循环过程中的多硫化物“穿梭效应”问题,还要解决因S_(8)和Na_(2)S的低电导率和固体Na_(2)S_(2)/Na_(2)S沉积带来的高极化所导致的循环性能差和存在的安全隐患等问题。因此合理引入催化材料促进多硫化物的快速转化,加快反应动力学至关重要,也是实现室温钠硫电池商业化应用的关键所在。本文详细综述了室温钠硫电池的基本原理、存在的主要问题,并阐述了催化作用在室温钠硫电池中的重要意义;归纳了室温钠硫电池中常用的催化材料种类;总结了各种催化材料与多硫化物之间的相互作用机理。最后,对室温钠硫电池中催化材料相关研究可能面临的挑战和未来发展方向进行了预测。

基于改进SSA-BP神经网络的钠硫电池拆解刀具温度预测模型研究

钠硫电池中含有大量的高纯度钠,在自动化拆解过程中存在燃烧、爆炸等安全风险。针对钠硫电池在车削拆解时存在的安全性问题,提出一种改进SSA-BP神经网络算法来预测刀具加工的最高温度。利用ABAQUS软件计算出刀具加工的实时温度,通过电池拆解实验验证仿真数据的可靠性;然后以仿真温度数据建立样本,利用Tent混沌映射对SSA-BP神经网络算法进行优化,建立刀具温度仿真预测模型。实验结果表明:该仿真预测模型收敛速度快,鲁棒性强,模型误差小。

室温钠硫电池的发展现状和挑战

室温钠硫(RT Na-S)电池的正负极材料为硫(S)和钠(Na)元素,S和Na元素具有成本低、资源丰富、能量密度高等一系列优点,因此室温钠硫电池被认为是一种极具潜力的可充电电池。但是在发展过程中面临着库仑效率低和循环稳定性差等一系列的问题,这些问题严重阻碍了室温钠硫电池的进一步发展和实际应用。有很多因素导致了这些问题,如S阴极的结构、隔膜和电解液等方面,其中最主要的原因是多硫化物的穿梭效应和多步反应缓慢的动力学。因此,基于近几年对RT Na-S电池已有的研究成果,本文从S在电解液中的氧化还原机理出发,总结了RT Na-S电池在S阴极的纳米结构设计、隔膜设计和电解液设计三个角度的发展现状,在此基础上列举了RT Na-S电池现发展阶段所面临的挑战。结果发现:(1)目前绝大部分提高多硫化物(NaPSs)转化率的策略均以抑制穿梭效应,促进缓慢的动力学为主;(2)RT Na-S电池现阶段面临的挑战主要是S正极本质存在问题、电解液、巨大的体积变化以及多硫化物中间体引起的穿梭效应等。本文期望为RT Na-S电池的进一步发展和商业化提供新的思路。

中国钠硫电池技术的发展与现状概述

钠硫电池是一种目前深受关注的储能技术。简要介绍了钠硫电池的工作原理以及该技术在国外的发展历史,重点介绍了我国近年来上海硅酸盐研究所与上海市电力公司合作在钠硫电池储能技术方面的研究与发展情况,叙述了批量化制备的650A.h大容量储能钠硫电池的关于材料制备、电池制备、电池模块制备及组成电池储能系统等关键技术的进展概况,研制成功的100 kW/800 kW.h钠硫储能系统在上海世博会期间稳定并网运行。

包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化

微网有利于充分发挥可再生能源发电等分布式能源系统的效益,实现需求侧管理及现有能源的最大化利用,但与此同时,可再生能源发电所具有的间歇性使得微网系统承受扰动的能力相对较弱。储能技术的应用将对微网系统的稳定运行控制发挥重要作用。以钠硫电池为储能研究对象,建立了包含钠硫电池储能的微网系统经济运行优化模型,并以一个微网系统为例,分析讨论了多种因素对系统经济运行优化结果的影响,验证了所建立模型的合理性。

钠硫电池储能系统的电价机制研究

采用成本收益模型研究了钠硫电池储能系统在电网削峰填谷作用中的电价机制。从单一容量电价、单一电度电价、两部制电价3种电价机制讨论了固定投资回报期下的储能电价策略。研究结果表明,对于能量型的钠硫电池储能系统,采用单一容量电价机制来制定储能电价不太合适,而采用单一电度电价和两部制电价机制则更为合适。随着钠硫电池储能系统单位能量建设成本从3 000元/kW·h降至1 000元/kW·h,采用单一电度电价和两部制电价机制制定的放电电价可控制在1元/kW·h左右,初步具备了与上海工商业高峰时段电度电价竞争的优势。

钠硫电池储能应用现状研究

介绍了钠硫电池的结构组成、工作原理和参数特性,分析了钠硫电池的应用类型和应用现状;针对负荷平定、不间断电源和应急电源的应用情况给出了统计分析;以美国第一个兆瓦级储能项目为例说明了其成本构成和经济效益;对典型钠硫储能系统给出了设计方案和关键技术分析,对电池管理系统、功率转换系统以及监控系统给出了详细介绍;依据2010年国家电网对清洁能源做出的预计对于国内电力储能需求和钠硫电池国产化后的应用前景给出了预测。

储能钠硫电池的工程化研究进展与展望——提高电池安全性的材料与结构设计

钠硫电池作为一种重要的储能技术,已在全球储能市场拥有GW·h级的装机容量,然而其安全问题一直倍受关注,成为制约其产业大规模发展的一大要素。本文首先介绍储能钠硫电池的结构、工作原理及其工程化发展现状,再针对高温钠硫电池应用中存在的安全隐患问题,从电池的电芯层面到模组层面,提出提高钠硫电池安全性能的解决策略。着重综述了基于固体电解质增韧、降低固体电解质局部电流密度、增强封接材料的热机械稳定性、电芯外壳防腐蚀、电池保温箱热管理与火源阻隔等安全策略的材料和结构设计方面的研发进展,最后对高安全性钠硫电池未来在低温化和液流化的研发方向作出设想和展望。

储能钠硫电池保温层优化设计

为解决钠硫电池非真空保温结构存在的厚度过大、寿命短、可靠性不佳等问题,利用多层平壁导热理论建立保温结构数学模型,采用有限元分析软件ANSYS进行实体建模与数值模拟,分析不同性能保温材料对实际性能的影响,并提出一种通过了实验验证的钠硫电池保温结构优化设计方案.结果表明,优化方案满足了保温结构设计的需求;通过应用新型保温材料使保温结构厚度缩减了37.5%,从而减小了整体体积与重量;总结出根据材料属性与热阻安排保温材料布局的思路,保证了各保温材料在工作条件下的安全可靠.这对未来钠硫电池以及其他装置的保温结构设计与优化提供了技术参考.

钠硫电池发展现状

钠硫电池是一种特性优良的二次电池,近年来在日本、北美、欧洲的电力系统中的应用得到迅速发展,在我国则处于起步阶段。综述了钠硫电池技术的发展,指出了钠硫电池发展中存在的问题,如陶瓷粉体合成工艺复杂、硫电极防腐蚀性能不强、电池退化和失效严重等问题,并展望了钠硫电池的发展前景。

钠硫电池制备技术的研究进展

阐述了NaS电池的工作原理、特性、生产工艺及国内外研究进展,提出了发展NaS电池应解决的问题。

Weibull拟合的钠硫电池加热模块温升分析

为分析钠硫电池加热模块的温升过程,分别基于三维瞬态导热方程和Weibull函数建立了加热模块的理论模型和试验温升数据的拟合模型,数值模拟了钠硫电池加热模块温升过程与瞬态温度分布,探讨Weibull参数对升温曲线的影响规律.结果表明:Weibull拟合模型能够精确描述加热模块的温升过程,可靠度较高;模块内部整体温升率随时间和距离模块中心的长度均呈非线性降低趋势;形状参数和尺度参数分别决定了分段温升和整体温升的效率,这为钠硫电池加热模块以及其他加热装置的优化设计提供参考.

应用于钠硫电池的双级式储能变流器控制策略

钠硫电池具备低电压、大电流的特性,储能变流器(PCS)的接入具有一定的挑战,此处采用双级式PCS有效解决接入问题。前级DC/DC变换器提高直流母线电压,釆用六相交错并联技术,有效解决大电流问题,降低直流电流纹波;后级DC/AC变流器通过同步旋转坐标变换,釆用前馈解耦实现有功、无功的独立控制;同时釆用顺序控制逻辑启停前后级变流器,保证储能系统的安全可靠运行。最后通过200kW钠硫电池储能系统实时数字仿真仪(RTDS)实验分析,验证所提控制策略的合理性和可靠性。

钠硫电池中金属与陶瓷的密封研究

通过钠硫电池中不锈钢与氧化铝部件的热压封接（ＴＣＢ）研究，详细讨论了该热压封接工艺参数（温度、压力、时间和铝箔厚度）之间相互关系，得出最佳工艺参数区为：Ｔ＝６００～６２５℃，Ｐ＝２５～７５ＭＰａ，ｔ＝１５～３０ｍｉｎ，δ＝０．３～０．７ｍｍ；最大封接强度为５７．５ＭＰａ；最小泄漏率为１０－１１Ｐａｍ３／ｓ。实验结果表明，该热压封接是密封连接钠硫电池中金属与陶瓷部件的最有效的途径，其可靠性在钠硫电池的实际试验中已经受了近２００００小时考验。

30Ah实用型单体钠硫电池的研制

研制成功３０Ａｈ实用型单体钠硫电池，研究了电池的性能特征和寿命，该电池具有放电电流大（１０～１８Ａ）容量大、比能量大（１３０Ｗｈ／ｋｇ）、放电容量与放电率无关、安全可靠等特点，放电深度达到８０％，最高寿命超过８００次循环（约２４０００Ａｈ）。研究了电池工作电流与温度变化的关系。电池退化表征为：随寿命增大，电池内阻上升，容量下降。导致电池退化和失效的主要因素为β″－Ａｌ２Ｏ３电解质的制备工艺和性能；电池结构和密封性；材料纯度。

钠硫电池硫极预制结构对电性能退化的影响

讨论了3种不同硫极预制结构对钠硫电池充放电性能及电池退化性能的影响.实验表明;钠硫电池的充放电性能与硫极结构材料、纤维走向、材料与硫和多硫化钠的润湿性有关.采用石墨毡内村氧化铝纤维的硫极冷装结构,能缓和电极极化,提高电池充电性能,延长电池寿命.

钠硫电池电极结构改进与电池性能研究

研究了新型的钠硫电池钠极钠芯结构和硫极预制结构对电池性能影响．实验表明，钠极的钠芯结构不仅能改善电池放电性能，而且有利提高电池的比能量和安全性；内衬氧化铝纤维的硫极预制结构能缓和界面极化，改善电池充电性能．改进电极结构后的钠硫电池也有利于电池向商品化。

介孔碳/硫复合材料与室温钠硫电池

通过熔融扩散法合成了一系列不同含硫量的有序介孔碳（CMK-3）/硫复合材料（C x Sy）.使用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman）、比表面积测定仪（BET）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）分析、表征和观察样品.将复合材料组装成钠硫电池,室温下测试电化学性能.循环伏安（CV）曲线结果表明,室温钠硫电池在1.61 V处有一个还原峰,对应于Na2Sx（x=2-5）的形成;在1.82 V和1.95 V分别有一个氧化峰,对应于Na2Sx（x=2-5）的分解.50%（by mass,下同）硫含量（C1S1）电极0.05C（1C=558 mA·g^-1）倍率首周放电容量500 mAh·g^-1,50周期循环比容量为305.6 mAh·g^-1.交流阻抗数据拟合计算其表观活化能为21.83 kJ·mol-1.本研究可为室温钠硫电池多孔电极材料的研究提供一定的指导作用.

钠硫电池性能研究及应用

钠硫电池具有容量大,体积小,寿命长,效率高的优点,原材料广,制备成本低,不受场地限制,维护方便。广泛应用于削峰填谷,应急电源,风力发电等可再生能源的稳定输出及提高电能质量方面,是各种先进的二次电池中最成熟最具潜力的一种先进储能电池。