Ett smält saltbatteri (även kallat ett "smält saltbatteri", "termiskt batteri") är ett batteri som använder smält salt som elektrolyt . Sådana batterier ger både hög energitäthet och hög effekttäthet. Konventionella icke-uppladdningsbara termiska batterier kan förvaras i fast tillstånd vid rumstemperatur under en längre tid innan de aktiveras av värme. Uppladdningsbara flytande metallbatterier används för industriell reservkraft, elfordon och för lagring av nätet, för att balansera intermittenta förnybara energikällor som solpaneler och vindturbiner .
Termiska batterier uppstod under andra världskriget när den tyske forskaren Georg Otto Erb utvecklade de första cellerna med en blandning av salter som elektrolyt. Erb utvecklade batterier för militära tillämpningar, inklusive V-1 och V-2 raketer . Inga av dessa batterier användes i fält under kriget. Efter slutet av andra världskriget överfördes Erbs teknologi till U.S. Ordnance Development Division av National Bureau of Standards . [1] I USA 1946 antogs det omedelbart för att ersätta de problematiska vätskebaserade systemen som tidigare använts för att driva artilleriskydd. Erbs teknologi användes för ammunition (såsom närhetssäkringar ) och senare i kärnvapen . Tekniken studerades också av forskare på 1980-talet för användning i elfordon. [2]
En studie från 2021 rapporterade stabil cellprestanda vid 110°C under 400 cykler. Cellen drevs vid en spänning av 3,6 volt. Flytande natriummetall passerade genom en keramisk separator och nådde en blandning av flytande natriumjodid och galliumklorid, kallad katolyt. Det höga priset på galliumklorid förväntades hålla denna design borta från kommersiell användning. [3]
Sedan mitten av 1960-talet har mycket utvecklingsarbete gjorts på uppladdningsbara batterier som använder natrium (Na) som negativa elektroder. Natrium är attraktivt på grund av dess höga reduktionspotential på -2,71 volt, låg vikt, relativ tillgänglighet och låg kostnad. För att skapa praktiska batterier måste natrium vara i flytande form. Smältpunkten för natrium är 98 °C (208 °F). Det betyder att natriumbaserade batterier fungerar vid 245 till 350°C (470 till 660°F). [4] Studier har undersökt kombinationer av metaller vid driftstemperaturer på 200 °C (390 °F) och rumstemperatur. [5]
Huvudartikel: Natrium-svavelbatteri
Natrium-svavelbatteriet (NaS-batteriet) använder billiga och allmänt tillgängliga elektrodmaterial tillsammans med litium-svavelbatteriet. Det var det första industriella alkalimetallbatteriet. Den använde flytande svavel för den positiva elektroden och ett keramiskt rör för beta-aluminiumoxid fast elektrolyt (BASE). Problemet var korrosionen av isolatorerna, eftersom de gradvis blev ledande och självurladdningshastigheten ökade.
På grund av deras höga effekttäthet har NaS-batterier föreslagits för rymdtillämpningar. [6] [7] NaS-batteriet testades framgångsrikt på rymdfärjans uppdrag STS-87 1997, men kom inte in i massproduktion. NaS-batterier har föreslagits för användning i högtemperaturmiljön på Venus. [åtta]
Ett konsortium bildat av TEPCO (Tokyo Electric Power Co.) och NGK (NGK Insulators Ltd.) förklarade sitt intresse för att forska om NaS-batteriet 1983 och har varit den främsta drivkraften bakom utvecklingen av denna typ sedan dess. TEPCO valde NaS-batteriet eftersom alla dess beståndsdelar (natrium, svavel och keramik) används i stor utsträckning i Japan. De första storskaliga fälttesterna utfördes vid TEPCO:s Tsunashima transformatorstation mellan 1993 och 1996 med 3×2 MW, 6,6 kV batterier. Baserat på resultaten av detta test utvecklades och kommersialiserades förbättrade batterimoduler år 2000. Det kommersiella NaS-batteripaketet erbjuder:
En lågtemperaturversion [9] av batterier med smält salt utvecklades 1985 för ZEBRA-batterier (ursprungligen Zeolite Battery Research in Africa; senare Zero Emission Battery Research) som ursprungligen utvecklades för elfordon [10] [11] . Batteriet använder NaAlCl 4 med en keramisk elektrolyt av Na + -beta aluminiumoxid Na - NiCl. [12]
Batteriet arbetar vid 245 ° C och använder smält natriumtetrakloroluminat (NaAlCl) som elektrolyt, som har en smältpunkt på 157 ° C. Den negativa elektroden är smält natrium. Den positiva elektroden är nickel i urladdat tillstånd och nickelklorid i laddat tillstånd. Eftersom nickel och nickelklorid är nästan olösliga i neutrala och basiska smältor, tillåts kontakt för att ge lite motstånd mot laddningsöverföring. Eftersom både NaAlCl och Na är flytande vid driftstemperatur, används natriumledande β-aluminiumoxidkeramik för att separera flytande natrium från smält NaAlCl .
De primära cellerna som används vid tillverkningen av dessa batterier har ett mycket högre globalt lager och årlig produktion än litium. [13]
Professor Donald Sadoway vid Massachusetts Institute of Technology var pionjär inom forskningen om lagringsbatterier av flytande metall som använder både magnesium-antimon och bly-antimon. Elektrod- och elektrolytskikten upphettas tills de blir flytande och separerar på grund av densitet och oblandbarhet. Sådana batterier kan ha en längre livslängd än konventionella batterier eftersom elektroderna går igenom en cykel av skapande och förstörelse under laddnings-urladdningscykeln, vilket gör dem immuna mot den nedbrytning som påverkar elektroderna på konventionella batterier. [fjorton]
Tekniken föreslogs 2009 baserad på separation av magnesium och antimon med smält salt. Magnesium valdes som negativ elektrod på grund av dess låga kostnad och låga löslighet i den smälta saltelektrolyten. Antimon valdes som den positiva elektroden på grund av dess låga kostnad och högre förväntade urladdningsspänning. [15] [16]
Icke-uppladdningsbara termiska batterier använder en elektrolyt som är fast och inaktiv vid omgivningstemperatur. Dessa batterier kan lagras under lång tid (över 50 år) men ger fortfarande full kraft när det behövs. När de väl har aktiverats ger de ett utbrott av hög effekt under en kort tidsperiod (från några tiotals sekunder till 60 minuter eller mer) med uteffekter som sträcker sig från watt till kilowatt. Den höga effekten beror på den höga jonkonduktiviteten hos det smälta saltet (vilket resulterar i lågt inre motstånd), som är tre storleksordningar (eller mer) större än svavelsyrans i ett bilbatteri med blysyra.
För att initiera en elektrokemisk reaktion använder en design en smältbar remsa (innehållande bariumkromat och pulveriserad zirkoniummetall i keramiskt papper) längs kanten av värmepellets. Remsan startas vanligtvis med en elektrisk tändare eller squib, som aktiveras av elektrisk ström.
En annan design använder ett centralt hål i mitten av batteriet i vilket en högenergi elektrisk tändare släpper ut en blandning av heta gaser och glödande partiklar. Detta kan avsevärt minska aktiveringstiden (tiotals millisekunder) jämfört med hundratals millisekunder för kantbandsdesignen. Batteriaktivering kan göras med ett slaglock som liknar ett hagelgevärsfodral. Värmekällan ska vara gasfri. En standardvärmekälla består vanligtvis av blandningar av järnpulver och kaliumperklorat i viktförhållanden på 88/12, 86/14 eller 84/16. [17] Ju högre halt av kaliumperklorat, desto högre värmeeffekt (nominellt 200, 259 respektive 297 cal/g). Denna egenskap att lagra i oaktiverat tillstånd har den dubbla fördelen att förhindra att aktiva material skadas under lagring och undvika kapacitetsförlust på grund av självurladdning tills batteriet aktiveras.
På 1980-talet ersatte litiumlegeringsanoder kalcium- eller magnesiumanoder. Katoder är gjorda av kalciumkromat, vanadin eller volframoxider. Litium-kisellegeringar föredras framför tidigare litium-aluminiumlegeringar. Katoden för användning med litiumlegeringsanoder är huvudsakligen järndisulfid (pyrit), eller koboltdisulfid för högeffektsbatterier. Elektrolyten är vanligtvis en eutektisk blandning av litiumklorid och kaliumklorid.
På senare tid har andra lågsmältande eutektiska elektrolyter baserade på litiumbromid, kaliumbromid och litiumklorid eller litiumfluorid också använts för att ge längre livslängd; de är också de bästa dirigenterna. Den så kallade "all-litium" elektrolyten baserad på litiumklorid, litiumbromid och litiumfluorid (inga kaliumsalter) används också för högeffektsbatterier på grund av dess höga jonledningsförmåga. Radioisotop termogenerator, till exempel, i form av 90 SrTiO 4 tabletter , kan användas för att tillföra värme till batteriet under lång tid efter aktivering och hålla det i ett smält tillstånd. [arton]
Termiska batterier används nästan uteslutande för militära ändamål, främst för kärnvapen och styrda missiler.De är huvudkraftkällan för många missiler som AIM-9 Sidewinder , AIM-54 Phoenix , MIM-104 Patriot , BGM-71 TOW , BGM -109 Tomahawk och andra. I dessa batterier är elektrolyten immobiliserad när den smälts av magnesiumoxid, som håller den på plats genom kapillärverkan. Denna pulverblandning pressas till pellets för att bilda en distans mellan anoden och katoden i varje cell i ett batteri. Så länge som elektrolyten (saltet) är fast är batteriet inert och förblir inaktivt. Varje cell innehåller också en pyroteknisk värmekälla som används för att värma cellen till en typisk driftstemperatur på 400-550°C.