Una breve historia del desarrollo de las baterías de sodio-azufre
Como batería secundaria de electrolito sólido de alta energía, la batería de sodio-azufre se inventó por primera vez a mediados de la década de 1960. Las primeras investigaciones se centraron principalmente en los objetivos de aplicación de los vehículos eléctricos, incluidos Ford de Estados Unidos y YUASA de Estados Unidos. Japón y la BBC británica, el Railway Laboratory, la alemana ABB y la estadounidense Mink Company ensamblaron sucesivamente vehículos eléctricos con baterías de sodio y azufre y realizaron pruebas en carretera a largo plazo.
Sin embargo, investigaciones a largo plazo han descubierto que las baterías de sodio y azufre tienen ventajas obvias como baterías de almacenamiento de energía, pero no pueden demostrar su superioridad cuando se utilizan como fuentes de energía para vehículos eléctricos u otros dispositivos móviles, y las primeras investigaciones No resolvió completamente el problema. Existen problemas de seguridad y confiabilidad con las baterías de sodio-azufre, por lo que finalmente se abandonó la aplicación de baterías de sodio-azufre en la energía de los vehículos. Sin embargo, debido a sus destacadas ventajas en cuanto a alta potencia específica y energía específica, bajos costos de materia prima, estabilidad de temperatura y ausencia de autodescarga, las baterías de sodio-azufre se han convertido en la batería de almacenamiento de energía con mayor vitalidad en el mercado y perspectivas de aplicación.
Diagrama estructural de una batería de sodio-azufre La unidad básica de una batería de sodio-azufre es una sola celda. La capacidad máxima de una sola celda utilizada para el almacenamiento de energía ha alcanzado los 650 Ah y la potencia es mayor. de 120 W. Múltiples celdas individuales Después de la combinación, se forma un módulo. La potencia del módulo suele ser de decenas de kilovatios y se puede utilizar directamente para el almacenamiento de energía. Según los requisitos específicos de potencia de salida, los módulos se pueden apilar para formar estaciones de almacenamiento de energía de diferentes tamaños de potencia. En la actualidad, la vida útil de las baterías comerciales de sodio-azufre puede alcanzar más de 10 a 15 años.
Las baterías tubulares de sodio-azufre de gran capacidad se basan en los antecedentes de aplicación del almacenamiento de energía estática a gran escala. Desde 1983, la compañía japonesa NGK y la Tokyo Electric Power Company han cooperado para desarrollar este tipo de batería. En 1992, la primera central eléctrica de demostración de almacenamiento de energía con batería de sodio-azufre sigue funcionando hasta el día de hoy. ciclo de vida largo y descarga profunda Cuando son 10 horas, puede llegar a 42.000 veces, cuando son 90 horas, pueden llegar a unas 4.500 veces, y cuando son 100 horas, pueden llegar a unas 2.500 veces.
En la actualidad, las baterías de sodio-azufre de NGK se han utilizado con éxito en el almacenamiento de energía de redes eléctricas urbanas. Hay más de 200 centrales eléctricas de almacenamiento de energía con baterías de sodio-azufre con una potencia de más de 500 kW. otros países las han puesto en funcionamiento de demostración comercial. La eficiencia energética de la central alcanza más del 80%.
Además de su aplicación a gran escala en Japón, también se ha promocionado en Estados Unidos, Canadá, Europa, Asia occidental y otros países y regiones. Las estaciones de almacenamiento de energía cubren diversos sectores como el comercio, la industria, la electricidad, el suministro de agua, las escuelas y los hospitales.
Además, las estaciones de almacenamiento de energía con baterías de sodio y azufre también se utilizan en el almacenamiento de energía para la generación de energía renovable para estabilizar la producción de energía eólica. Por ejemplo, en la isla Hakka de Japón, un sistema de almacenamiento de energía con batería de sodio y azufre de 400 kW se combina con un sistema de generación de energía eólica de 500 kW, lo que garantiza una producción de energía eólica completamente estable y logra una conexión segura con la red eléctrica.
La estación de almacenamiento de energía con batería de sodio-azufre de 34 MW con la mayor potencia para energía eólica está actualmente en funcionamiento y se utiliza en la producción estable de parques eólicos. Se espera que las baterías de sodio-azufre eleven los precios de la electricidad a 32 centavos/kWh, convirtiéndolas en una de las baterías de almacenamiento de energía más económicas y prometedoras.
La batería de sodio-azufre de NGK se ha utilizado ampliamente en los siguientes aspectos:
① Reducción de picos y relleno de valles. Almacenar energía eléctrica durante períodos de bajo consumo de electricidad y liberar energía eléctrica para satisfacer la demanda durante períodos de máximo consumo de electricidad. El proyecto de demostración de baterías de sodio y azufre se centra en esta aplicación:
②Integración de la red de energía renovable. El uso de baterías de sodio-azufre para respaldar la generación de energía eólica y solar y conectarlas a la red puede almacenar energía cuando se genera energía de alta potencia y liberar energía cuando se utiliza energía de alta potencia para mejorar la calidad de la energía;
③Sistema de generación de energía independiente. Sistemas de generación de energía independientes utilizados en áreas remotas e islas, generalmente combinados con generación de energía nueva;
④Aplicaciones industriales. Si bien los usuarios de nivel empresarial utilizan baterías de sodio-azufre para cargarlas durante la noche y descargarlas durante el día para ahorrar en las facturas de electricidad, también pueden proporcionar un suministro de energía ininterrumpido y estabilizar la calidad de la energía de la empresa. Diagrama esquemático del módulo de batería de sodio-azufre<; /p>
⑤Campo eléctrico de transmisión y distribución. Se utiliza para proporcionar soporte de energía reactiva, aliviar la congestión de la transmisión, retrasar la expansión de los equipos de transmisión y distribución y el suministro de energía de CC en las subestaciones, etc., mejorar la estabilidad de la red de distribución y, por lo tanto, mejorar la confiabilidad y seguridad de las grandes empresas de energía. red.
En 2010, la capacidad de producción de baterías de sodio-azufre de NGK aumentó un 50% en comparación con 2009, alcanzando los 150 MW. En 2009, NGK firmó contratos de suministro de 150 MW y 300 MW con empresas de Francia y Emiratos Árabes Unidos, respectivamente. Sólo en 2009, los pedidos de contrato de NGK alcanzaron los 600 MW. En la actualidad, la batería de almacenamiento de energía de sodio y azufre de NGK es la única nueva tecnología de almacenamiento de energía que ha entrado en aplicación comercial a gran escala, y el producto es escaso.
La investigación sobre baterías de sodio y azufre de mi país está representada por el Instituto de Cerámica de Shanghai de la Academia de Ciencias de China, que ha desarrollado con éxito un vehículo eléctrico con batería de sodio y azufre de 6 kW. Desde agosto de 2006, el Instituto de Cerámica de Shanghai y la Compañía de Energía Eléctrica de Shanghai han cooperado para desarrollar conjuntamente baterías de sodio y azufre para aplicaciones de almacenamiento de energía. En enero de 2007 se desarrolló con éxito una batería de sodio y azufre con una capacidad de 650 Ah. En 2009 se construyó una línea piloto con una capacidad de producción anual de 2 MW de celdas individuales, que puede producir continuamente celdas individuales con una capacidad de 650 Ah. Ah. La línea piloto involucra más de 100 conjuntos de diversos procesos y equipos de prueba, casi 2/3 de los cuales se desarrollan de forma independiente y poseen una serie de derechos de propiedad intelectual independientes. Ha formado sus propios materiales clave para baterías de sodio-azufre y tecnología de evaluación de baterías. .
En la actualidad, la energía específica de la batería alcanza los 150 Wh/kg, y la tasa de degradación de la batería en los primeros 200 ciclos es de 0,003/hora. Este dato es el mismo que el nivel extranjero avanzado. El nivel general actual de batería única se acerca al nivel de NGK de la empresa. En octubre de 2011, Shanghai Electric Group, Shanghai Electric Power Company y el Instituto de Investigación Cerámica de Shanghai establecieron formalmente la "Compañía de Industrialización de Baterías de Sodio-Azufre" para construir una línea de producción de baterías de sodio-azufre. Se espera que la capacidad de producción anual de sodio-azufre. Las baterías alcanzarán los 50 MW en 2015. Convertirse en el segundo mayor fabricante de baterías de sodio-azufre del mundo.
La principal dificultad técnica de las celdas individuales de baterías de sodio-azufre radica en la preparación de tubos cerámicos de beta-alúmina con electrolito sólido. En la actualidad, se han logrado grandes avances en la producción automatizada por lotes de tubos cerámicos de alta calidad. , pero su producción aún es limitada y el costo sigue siendo alto.
Otra dificultad importante en la tecnología de celda única es el sellado de los componentes de la batería. En la actualidad, países nacionales y extranjeros han comenzado a desarrollar materiales vitrocerámicos que sean compatibles con coeficientes térmicos beta o alfa-cerámicos como materiales de sellado. , que también reduce el costo de las celdas individuales. Un nuevo enfoque de costos. Dado que tanto el azufre como el sulfuro son altamente corrosivos, el desarrollo de materiales de electrodos anticorrosión de bajo costo es también uno de los focos de investigación de la tecnología de celda única. En la actualidad, se han desarrollado algunas capas de deposición anticorrosión que se pueden usar para electrodos colectores de corriente. Se han desarrollado con éxito, como por ejemplo en revestimientos económicos. En el fondo se deposita material duro o cerámico.
Además, mejorar la polarización interfacial entre los electrodos de la batería de sodio-azufre y los electrolitos cerámicos sólidos también es un aspecto importante para mejorar el rendimiento electroquímico y el rendimiento de seguridad de la batería.
En la actualidad, el alto coste de fabricación, la fiabilidad del funcionamiento a largo plazo y el conjunto completo de tecnología a gran escala de las baterías de sodio-azufre son los principales obstáculos para su aplicación a gran escala. Por lo tanto, las principales tecnologías clave para las baterías de sodio-azufre incluyen la tecnología de tubos cerámicos de alta calidad, la tecnología de sellado de componentes de la batería, la tecnología de materiales de electrodos anticorrosión y un conjunto completo de tecnologías a gran escala.