1.3常温钠硫电池
钠硫电池虽然在大规模储能方面成功应用近20年,但其较高的工作温度以及在高温下增加的安全隐患一直是人们关注的问题,近年来,人们在探索常温钠硫电池方面开展了一系列的研究工作。一些实验室研究了使用聚合物(PEO或PVDF)或有机溶剂(四乙二醇二甲醚或碳酸乙烯酯以及碳酸二甲酯)作为电解质的室温Na-S电池。例如,韩国国立庆尚大学的AhnHyo-Jun等研究了四乙二醇二甲醚作为阴极溶剂的室温Na-S电池的放电反应机理,并得到高的首次放电容量(538mA˙h/g),然而该容量在10次循环后下降为240mA˙h/g。上海交通大学的王久林等采用与锂离子二次电池类似的方法组装室温纽扣Na-S电池,采用S和聚丙乙腈的复合物作为阴极材料,得到了655mA˙h/g的首次放电容量(图4),18次循环后容量下降到500mA˙h/g。这些研究工作对钠硫电池的低温化是有益的尝试,但它们离实际应用的距离还很远。在某种意义上,这些室温Na-S电池借鉴了Li-S电池的概念,因此存在着与Li-S电池类似的问题,例如阴极组分溶于电解液导致自放电和快速的容量衰退,钠枝晶的形成和对电池失效的影响,硫阴极利用率低等问题。
2、ZEBRA电池
ZEBRA(zeroemissionbatteryresearchactivities)电池是从Na-S电池发展而来的一类基于-Al2O3陶瓷电解质的二次电池,常被称为钠氯化物电池、钠镍电池,甚至称为斑马电池。ZEBRA电池是1978年由南非ZebraPowerSystems公司的Coetzer发明的,之后由英国Beta研究发展公司继续开展工作,十年后AEG(后为Daimler)公司和美国Anglo公司也加入该项目的开发。此外,美国Argonne国家实验室和加州技术研究所的Jet推进实验室以及日本SEIKOBPSON公司也在积极进行研究和试验。
2.1 ZEBRA电池的结构与原理
图5显示了ZEBRA电池的结构及其基本电化学机制。ZEBRA电池由熔融钠负极和包含过渡金属氯化物(NiCl2和少量FeCl2)、过量金属的正极以及作为固体电解质和隔膜的钠离子导体-氧化铝陶瓷组成。