新エネルギー競争の分析 - ナトリウム塩電池の研究

ナトリウム塩電池技術源紹介

1967年から1982年にかけて、英国鉄道はナトリウムニッケル電池を研究し、1982年にこの電池の量産研究を行うために英国にベータ研究所が設立されました。

1987年から1997年まで、電気乗用車の研究が行われ、5年間で10万キロの寿命テストが行​​われましたが、大きな問題はありませんでした。

1999年にMES-DEAはベータ研究所の技術を買収し、量産を開始しました。

2001年、米国のGEはエネルギー貯蔵技術の評価を実施し、長い期間の探究を経て、ナトリウムニッケル電池が優れたエネルギー貯蔵電池であることを発見しました。2007年、GEは英国のベータ研究所を買収し、2012年にGEは工場の建設を完了しました。

2017年、Chilweeは2019年4月に浙江AMPower株式会社を設立し、中国で初の量産企業を開始しました。

2023年の新年の初め、AMPowerは引き続き大きな注文を受け、290組以上のバッテリーを販売し、好調なスタートを切りました。

ナトリウム塩電池の製造工程

このタイプの電池は、全固体ナトリウム電池とも呼ばれます。電池システムでは、負極は金属ナトリウム、正極は塩化ニッケルです。最初の電解質はベータアルミナで、もう1つは無機塩のテトラクロロアルミン酸ナトリウムです。動作温度は約250〜350度です。ナトリウムイオンは固体電解質ダイヤフラムを介して前後に移動し、電池の増減を実現し、最終的に充放電を実現します。これが電池のメカニズムです。実行時の反応は次のとおりです。

バッテリーが充電されると、電子はプラスからマイナスに流れます。塩 (塩化ナトリウム) 内のナトリウムイオンは、固体セラミック電極を通ってマイナスタンク端子に向かって移動します。残りの塩化物イオンはニッケルに付着し、カソード媒体で塩化ニッケルを形成します。ナトリウムはセラミックチューブの外側に溶融アノード層を形成し、それがスチールタンクと接触してバッテリーが完全に充電されます。放電中、電子が戻り、溶融ナトリウムは Na+ イオンに酸化され、固体セラミックチューブを通って戻り、塩化ナトリウムを形成します。塩化ニッケルはニッケル金属に還元されます。バッテリーの電気化学反応は次のとおりです。

技術的なルートは、大まかに次のように分類できます。

ナトリウムニッケル電池の正極材料は固体塩化ナトリウムとニッケル粒子、隔膜はセラミック管、電解質はテトラクロロアルミン酸ナトリウムであり、いずれも非常に一般的なものであるため、コストが非常に低くなります。

第二に、化学反応が起こらないため、モノマーナトリウムは生成されません。バッテリー内には酸やその他の有機溶剤が存在しないため、ナトリウムニッケルバッテリーは無毒であり、環境に害を及ぼしません。

一般的に、比較的安全な電池のエネルギー密度は比較的低く、ナトリウムニッケル電池の体積エネルギー密度は400Wh/Lに達し、三元リチウムに近いです。重量エネルギー密度は160Wh/kgに達し、グループ後の重量エネルギー密度は110-120Wh/kgに達し、これはリン酸鉄リチウム材料のレベルに似ています。ナトリウムニッケル電池は、現在大規模なエネルギー貯蔵に使用されているリン酸鉄リチウム電池の優れた代替品です。

サイクル寿命の面では、ナトリウムニッケル電池もエネルギー貯蔵用に作られています。その個々の特定のエネルギーは1キログラムあたり135ワット時に達し、耐用年数はリチウム電池の2〜5倍、80％DODサイクル寿命は最大7500回です。システム構成後、体積はリチウム電池システムより50％以上小さく、ライフサイクル全体のコストはリチウム電池より50％低くなります。

ナトリウム塩電池の利点

（１）コスト：銅、リチウム、コバルトなどの高価な金属は使用していません。代わりに、固体セラミック電解質と一般的なナトリウム塩を使用しています。豊富にあり、入手しやすく、サプライチェーンの問題がなく、安価です。

（2）安全性が高く、セルレベルの安全保護と消火装置を必要としません。バッテリー内部は無機塩、無機金属、ナトリウム、ニッケルで構成され、固体電解質はアルミナです。電解質内のリチウムとは異なり、有機物の存在はなく、無機物が存在するため、燃焼物質はありません。バッテリーが燃えたり爆発したりすることはありません。これがバッテリーの最大の特徴です。

（3）環境耐性が良好で、バッテリーは幅広い温度に対して非常に優れた耐性があり、マイナス40度での容量とエネルギーテストでは室温の100.9%を放出できます。+60度での容量とエネルギーテストでは室温の101.6%を放出できます。そのため、ナトリウムバッテリーは砂漠などの非常に暑い気候でも非常に寒い気候でも使用できます。

（4）長いサイクル寿命。バッテリーの最も重要な技術は、電解質と隔膜の役割を果たす固体電解質であるベータアルミナです。一方、良い技術は、正極と負極を組み合わせて粒子をセラミックチューブにすることです。バッテリーの寿命に関しては、英国の人々は国防総省のテストの80％を実施し、3,500週間後にはおそらく90％以上の電力が残っていました。バッテリーモジュールの通常のサイクル寿命は4500回以上です。既存のテスト状況によると、バッテリーの寿命が予測されます。2時間の場合、バッテリーの寿命は6,000回、3時間は10,000回、8時間は25,000回と推定されます。

過充電と放電性能が優れている2番目の側面は、過充電と放電の過程で生成される物質が電池自体、活物質、または電池の原料のいずれかであり、原料は高温で複合反応を起こし、活性物質になるということです。

3 つ目の短絡耐性は良好で、リチウムイオンは短絡により電池モジュールの熱制御を引き起こします。ナトリウム塩電池のセラミック管が破損して短絡すると、金属ナトリウムと電解質の四塩化ナトリウムが反応してアルミニウムを形成します。セラミック管の亀裂の隙間はアルミニウムで満たされ、反応がそれ以上進まないようになり、正極と負極は導電性になります。このように、短絡した電池は導体に相当し、電池モジュール全体の電圧はセルの電圧降下 2.58 ボルトに相当します。また、電池モジュールの 5% ～ 10% が故障しても許容され、セルの故障範囲内であればモジュールは正常に使用できます。