ZEBRA batteri

Ett ZEBRA smält saltbatteri.

ZEBRA - batteriet är en typ av uppladdningsbart batteri för smält salt baserat på vanliga material – främst nickelmetall och natrium och klorid från konventionellt bordssalt . Det är tekniskt känt som natrium-nickel-klorid-batteriet , och ibland som ett natrium-metall-halogenid-batteri . Det vanliga namnet kommer från dess utveckling under Zeolite Battery Research Africa Project, som startade i Sydafrika 1985.

ZEBRA-batterier måste hållas varma, och av värmehanteringsskäl är de bara praktiska när de byggs i stora format. De har granskats främst för energilagring i nätet och i mindre grad för elfordon . ZEBRA är ett enklare, säkrare och billigare alternativ till det annars liknande natrium-svavelbatteriet , även om det erbjuder mindre energitäthet , cirka 90 till 120 Wh/kg jämfört med så mycket som 150 Wh/kg för natrium-svavel. ZEBRA och natrium-svavel konkurrerar båda med mer kända system, som litium-järn-fosfat och litium-svavel i samma roller.

ZEBRA-designen har utvecklats på och av sedan 1980-talet, med stor forskning som utfördes i AERE Harwell och AEG under 1990-talet. Efter att Daimler köpte AEG och sedan slogs samman med Chrysler såldes ZEBRA-divisionen av. AEREs utveckling kopplades av som Beta R&D och köptes av General Electric 2011. GE försökte lansera kommersiell produktion av smält natrium-nickel-klorid-batteri under namnet Durathon , men det skrotade detta projekt 2015, med hänvisning till marknaden snarare än tekniska svårigheter. Det verkar inte finnas några kommersiella leverantörer av smälta natrium-nickel-klorid-batterier 2022.

Beskrivning

Bakgrund

Kemiska reaktioner involverar utbyte av elektroner . Materialen som är involverade i reaktionerna kallas reagens . Batterier använder någon form av mekanisk eller kemisk barriär för att förhindra att dessa elektronutbyten sker spontant, vilket bara tillåter dem att inträffa när en extern väg är tillgänglig för elektronerna att röra sig genom. Denna väg kopplas sedan till en last och används för att utföra arbete . I de flesta batterier styrs reaktionen genom användning av en elektrolyt mellan två reagenser. Om de resulterande reaktanterna frigörs från systemet klassificeras de mer typiskt (men inte alltid) som bränsleceller .

I det vanliga engångsbatteriet av zink-kol ("torr cell") är de två primära kemikalierna inblandade zink och manganoxid , åtskilda av en elektrolyt av zinkklorid och ammoniumklorid lösta i vatten för att bilda en tjock pasta. Syrets rörelse från elektrolyten till zinken i batteriets yttre hölje driver halva reaktionen. Denna reaktion kan bara fortsätta om ytterligare syre frigörs från elektrolyten. Den andra halvan av reaktionen tillhandahålls av manganoxidelektroden, som avger syre till elektrolyten när den presenteras med elektroner. Så att fästa en ledare mellan zinken till manganet kommer att få ström att flyta.

I zink-kolbatteriet kan den kemiska reaktionen bara ske lätt i en riktning - ett försök att "ladda om" batteriet kommer inte att orsaka att zinken rent omvandlas till sitt ursprungliga fasta tillstånd. Det finns andra reaktioner där materialen inte ändrar form på samma sätt, eller i samma grad, och kan laddas om. Batterier delas generellt in i två typer; "primära" batterier som inte kan laddas, och "sekundära" batterier som kan. Förbättrade typer av sekundära batterier är ett stort forskningsområde.

Smält salt design

Många joniskt bundna föreningar är potentiellt användbara material för ett batteri. Reaktionens spänning, och därmed den totala tillgängliga energin per molekyl, ökas genom att välja reaktanter som är placerade så långt ifrån varandra som möjligt i det periodiska systemet . De flesta avancerade batteriteknologier är baserade på element från lättmetallkategorin, speciellt litium och natrium, och de reaktiva elementen på andra sidan av grafen, som syre och svavel.

Detta gör vanligt bordssalt till ett nästan idealiskt batterimaterial, som producerar 2,58 volt när det kombineras, jämfört med cirka 1,5 för vanliga zinkbaserade batterier. Denna kombination sker emellertid normalt i smält tillstånd. Med konventionella flytande elektrolyter skulle de smälta saltmaterialen vara fria att blandas, vilket fullbordar reaktionen utan att kräva en extern krets eller därigenom extrahera kraft. I detta fall måste ett batteri använda en fast elektrolyt som separerar de flytande reagenserna.

De första smälta saltbatterierna utvecklades på 1940-talet och användes först i stor utsträckning i missilstyrningssystem under andra världskrigets era och efter. Dessa konstruktioner använde magnesiumoxid som en svamp för att lagra reagenserna som bildades separat i flytande tillstånd. Efter att ha blötts i reagensen kyldes magnesiumoxiden sedan till ett fast material, pressades till pellets och staplades. När pelletsen värms upp smälte reagensen och rann ut ur svampen för att börja generera kraft. Detta gör att de kan förvaras under långa perioder utan förluster, utan är endast för "one shot"-användning.

Natrium-svavel

En nyckelutveckling på marknaden för laddningsbara smälta saltbatterier var utvecklingen av fast keramisk elektrolyt känd som beta-aluminiumoxid fast elektrolyt, eller BASE. BASE, en zeolit , tillåter natriumjoner att röra sig genom den, samtidigt som den blockerar icke-joniserat natrium och andra molekyler. Kombinationen av BASE med joniska salter ledde till natrium-svavelbatteriet , det första uppladdningsbara smältsaltbatteriet. I typiska konstruktioner separerar en cylinder av BASE natrium på insidan från svavel på utsidan, vilket förmedlar laddningsutbytet mellan dem. När natriumet ger upp en elektron kan det röra sig genom BASEN för att kombineras med svavlet i en kolsvamp lindad runt BASEN.

För drift måste hela batteriet värmas till, eller över, smältpunkten för svavel vid 119 C. Natrium har en lägre smältpunkt, runt 98 C, så ett batteri som håller smält svavel håller smält natrium som standard. Detta utgör ett allvarligt säkerhetsproblem; natrium kan vara spontant brandfarligt i luft, och svavel är mycket brandfarligt. Flera exempel på Ford Ecostar , utrustad med ett sådant batteri, brann under laddningen, vilket ledde till att Ford gav upp konceptet. En stor nätlagringsutveckling med hjälp av systemet orsakade också en allvarlig brand i Tsukuba-anläggningens brandincident i september 2011. Se mer på Sodium–sulfur battery .

ZEBRA

ZEBRA batteri på Museum Autovision .

Ett smält saltbatteri som använder säkrare regenter skulle ha en uppenbar fördel jämfört med natrium-svaveldesignen. De flesta lovande materialen fungerade dock inte bra med BASE i sin nuvarande form. Detta ledde till ZEBRA-ansträngningen att försöka modifiera BASE för att tillåta drift med vanligt bordssalt. Grundidén utvecklades av Johan Coetzer vid Council for Scientific and Industrial Research i Sydafrika , med det första patentet beviljat 1978.

Ytterligare utveckling började i Storbritannien vid AERE Harwell och avknoppades sedan som BETA Research and Development. BETA slogs i sin tur samman till ett joint venture bildat av AEG (senare Daimler) och Anglo American 1988. Det sammanslagna företaget, AEG Anglo Batteries, påbörjade pilotkonstruktion av ZEBRA-batterier 1994, men med 1998 års sammanslagning av Daimler med Chrysler projektet avslutades. MES-DEA, som bildades 1999 i Schweiz, tog över utvecklingen. Småskalig produktion genomfördes, några tusentals förpackningar per år. Innovenergy i Meiringen , Schweiz har ytterligare optimerat denna teknik med användning av inhemska råvaror, förutom nickelkomponenten. Trots den minskade kapaciteten jämfört med litiumjonbatterier är ZEBRA-tekniken användbar för stationär energilagring från solenergi . Företaget driver en 540 kwh lagringsanläggning för solceller på taket av ett köpcentrum och producerar över en miljon batterienheter per år av hållbara, giftfria material.

Nyckeln till ZEBRA-designen var utvecklingen av en blandning av nickel och BASE-liknande natriumaluminiumklorid för att producera en ny fast elektrolyt. Liksom natrium-svaveldesignen är ZEBRA normalt konstruerad i en cylindrisk årlig montering, eller "kanulär". Ytterhöljet, nickelbelagt rostfritt stål , fungerar som minuspolen och enhetens primära behållare. Direkt inuti höljet finns natriummetallen. Suspenderad i natriumet är den keramiska BASE-elektroden och inuti den en blandning av NiCl2 och NaAlCl4 . Upphängd i mitten av det är en elektrod som fungerar som den positiva terminalen.

BASE-keramik är relativt skör, vilket gör att den blir utsatt för brott på grund av mekaniska stötar. När dessa öppnas kommer NaAlCl 4 i kontakt med natrium för att bilda ett salt och fälla ut aluminiummetall:

NaAlCl4 + 3Na ⟹ 4NaCl+ Al

Detta är en styv blandning som tätar små sprickor. Om större sprickor bildar cellen med kortslutning till viss del, och måste avlägsnas från batterikretsen.

Laddningskurvan i ZEBRA - designen har ett ganska abrupt spänningsfall precis innan cellen är helt urladdad. Detta gör det svårt att veta laddningstillståndet (SOC) och om batteriet är på väg att "dö". För att minska detta tillsätts ytterligare aluminiummetallkraft för att producera en andra reaktion:

Al + 4NaCl ⟺ 3Na + NaAlCl 4

Vilket kan indikera laddningstillståndet när denna reaktion slutar inträffa och det finns ett mindre spänningsfall, vilket indikerar att batteriet har en låg SOC.

Saltet blir flytande vid 154 C och batteriet måste köras vid åtminstone denna temperatur, normalt närmare 300 C. För termisk reglering hålls cellerna i en dubbelväggig vakuumflaska, vanligtvis cirka 25 millimeter (0,98 tum) tjock. Om batteriet svalnar till rumstemperatur tar det så mycket som två dagar att få det att fungera igen. De heta materialen och natriummetallen är fortfarande en säkerhetsfråga.

Till skillnad från ett Na–S-batteri används NaAlCl4 vanligtvis som den sekundära flytande elektrolyten (katolyten) i ett ZEBRA-batteri för att underlätta Na+-jonrörelsen i katoden, vilket ger viktiga fördelar jämfört med ett Na-S-batteri inklusive lägre driftstemperaturer och säkert cellfel lägen. Ett ZEBRA-batteri har också fördelar som högre spänning och säker montering i urladdat tillstånd utan att använda metalliskt natrium i anoden

Hållbarhet och nedbrytning

  1. Eftersom NaCl bildar en produkt av urladdningsreaktionen resulterar det i Ostwald-mognad av NaCl-partiklar, vilket visar sig som en ökning av cellens inre motstånd via flera mekanismer.
  2. Minskningen av ytan (partikeltillväxt) hos Ni-elektroden med cykling är en sekundär nedbrytningsväg.
  3. Beta-aluminiumoxid_solid_electrolyte kan sönderdelas enligt reaktion: 2 NaAl 11 O 17 = Na 2 O + 11 Al 2 O 3 , 2 NaAl 5 O 8 = Na 2 O + 5 Al 2 O 3 , vilket visar sig som en ökning av jon. elektrolytens motstånd. Dessutom absorberar den lätt fukt från luft och sönderdelas och bildar NaOH och Al(OH)3.
  4. Ytskiktet av beta-aluminiumoxid på Na-sidan blir grått efter > 100 cykler. Detta orsakas av en långsammare tillväxt av mikronstorlekar av natriummetallkulor i trippelövergångarna mellan kornen av den fasta elektrolyten. Denna process är möjlig eftersom den elektroniska konduktiviteten hos beta-aluminiumoxid är liten men inte noll. Bildandet av sådana natriummetallkulor ökar gradvis elektrolytens elektroniska ledningsförmåga och orsakar elektroniskt läckage och självurladdning;
  5. Under laddning tenderar natriummetalldendriter att bildas (långsamt efter flera cykler) och fortplantas (ganska snabbt när de väl har bildats kärnor) in i gränserna mellan kornen i den fasta beta-aluminiumoxidelektrolyten, vilket så småningom leder till intern kortslutning. I allmänhet måste en betydande tröskelströmtäthet överskridas innan en sådan snabb Mod I-brottnedbrytning initieras.
  6. Syrebrist i aluminiumoxid nära natriumelektroden har föreslagits som en möjlig utlösare för sprickbildning.
  7. Att passera ström (t.ex. >1 A/cm2) genom beta-aluminiumoxid kan orsaka temperaturgradient (t.ex. > 50 °C/ 2 mm) i elektrolyten, vilket i sin tur resulterar i en termisk spänning.

Citat

Bibliografi

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=ZEBRA_battery&oldid=1144634902 "