miniatura|Diagrama esquemàtic seccionat d'una bateria de sodi-sofre Una bateria de sodi-sofre (NaS) és un tipus de bateria de sals foses que utilitza elèctrodes de sodi líquid i sofre líquid. Aquest tipus de bateria té una densitat d'energia similar a les bateries d'ions de liti, i està fabricada amb materials econòmics i de baixa toxicitat. A causa de l'alta temperatura de funcionament requerida (normalment entre 300 i 350 °C), així com la naturalesa altament reactiva del sodi i dels polisulfurs de sodi, aquestes bateries són principalment adequades per a aplicacions d'emmagatzematge d'energia estacionària, en lloc de per al seu ús en vehicles. Les bateries de Na-S fos són escalables en mida: hi ha un sistema de suport de microxarxa d'1 MW a l'illa Catalina, Califòrnia (EUA) i un sistema de 50 MW/300 MWh a Fukuoka, Kyushu (Japó).NAS case studies, NGK Insulators
Malgrat el seu cost de capital molt baix i l'alta densitat d'energia (300-400 Wh/L), les bateries de sodi-sofre fos encara no han aconseguit un desplegament a gran escala en comparació amb les bateries d' ions de liti: hi ha hagut unes 200 instal·lacions, amb una energia combinada de 5 GWh i una potència de 0,72 GW, a tot el món. enfront dels 948 GWh de les bateries d'ions de liti. La baixa adopció de les bateries de sodi-sofre fos al mercat possiblement s'ha degut a problemes de seguretat i durabilitat percebuts, com ara una vida útil curta de menys de 1000 cicles de mitjana (tot i que hi ha informes de 15 anys de funcionament amb 300 cicles per any). En contrast amb aquestes preocupacions, una fitxa tècnica recent indica una vida útil de 20 anys o 7300 cicles amb una degradació energètica inferior a l'1% per any. També TÜV Rheinland va avaluar les bateries NaS comercials i les seves característiques de seguretat, arribant a la conclusió que "en condicions pràctiques no és possible encendre un mòdul de bateria NGK Insulators NaS intacte (fabricat després del 2011) ni desencadenar altres escenaris perillosos des de l'exterior o des de l'interior".
Com moltes bateries d'alta temperatura, les piles de sodi-sofre es tornen més econòmiques a mesura que augmenta la mida. Això es deu a la llei del quadrat-cub: les piles grans tenen menys pèrdua de calor relativa, de manera que mantenir les seves altes temperatures de funcionament és més fàcil. Les piles disponibles comercialment solen ser grans amb altes capacitats (fins a 500 Ah).
Un tipus de bateria similar anomenada bateria ZEBRA, que utilitza una / El catòlit en lloc del polisulfur de sodi fos ha tingut un major interès comercial en el passat, però No hi ha fabricants comercials de ZEBRA. També es coneixen bateries de sodi-sofre a temperatura ambient. No utilitzen ni sodi líquid, ni sofre líquid, ni electròlit sòlid de beta-alúmina sòdica, sinó que funcionen amb principis completament diferents i s'enfronten a reptes diferents que les bateries de NaS fos d'alta temperatura que es discuteixen aquí.
Construcció Les bateries típiques tenen una membrana electrolítica sòlida entre l'ànode i el càtode, en comparació amb les bateries de metall líquid on l'ànode, el càtode i la membrana són líquids.
La cel·la sol tenir una configuració cilíndrica. Tota la cel·la està envoltada per una carcassa d'acer que està protegida, generalment amb crom i molibdè, de la corrosió a l'interior. Aquest recipient exterior serveix com a elèctrode positiu, mentre que el sodi líquid serveix com a elèctrode negatiu. El recipient està segellat a la part superior amb una tapa hermètica d'alúmina. Una part essencial de la cel·la és la presència d'una membrana BASE (electròlit sòlid de beta-alúmina), que condueix selectivament el Na+. En aplicacions comercials, les cel·les es disposen en blocs per a una millor conservació de la calor i estan tancades en una caixa aïllada al buit.
Per al funcionament, tota la bateria s'ha d'escalfar fins al punt de fusió del sofre, o per sobre, a 119. °C. El sodi té un punt de fusió més baix, al voltant de 98 °C, de manera que una bateria que conté sofre fos conté sodi fos per defecte. Això presenta un greu problema de seguretat; el sodi es pot incendiar espontàniament a l'aire i el sofre és altament inflamable. Diversos exemples del Ford Ecostar, equipats amb aquesta bateria, van esclatar durant la recàrrega, cosa que va portar Ford a abandonar l'intent de desenvolupament de bateries de NaS fos per a cotxes. Les bateries estacionàries de NaS d'NGK Insulators utilitzen cel·les segellades hermèticament i múltiples funcions de seguretat a nivell de mòdul, com ara sorra per a la supressió d'incendis. Segons el fabricant, aquestes són suficients per evitar que un foc es pugui propagar d'una cel·la a les cel·les veïnes.
Operació Durant la fase de descàrrega, el sodi elemental fos al nucli serveix com a ànode, la qual cosa significa que el Na cedeix electrons al circuit extern. El sodi se separa mitjançant un cilindre d'electròlit sòlid de beta-alúmina (BASE) del recipient de sofre fos, que està fabricat a partir d'un metall inert que serveix de càtode. El sofre s'absorbeix en una esponja de carboni.
La BASE és un bon conductor d' ions de sodi per sobre de 250 °C, però és un mal conductor d'electrons, i per tant evita l'autodescàrrega. El sodi metàl·lic no mulla completament la BASE per sota dels 400 °C a causa d'una capa d'òxid que els separa; aquesta temperatura es pot baixar a 300 °C recobrint la BASE amb certs metalls i/o afegint captadors d'oxigen al sodi, però tot i així la humitejació fallarà per sota dels 200 °C. Abans que la cèl·lula pugui començar a funcionar, s'ha d'escalfar, cosa que genera costos addicionals. Per afrontar aquest repte, s'han utilitzat estudis de casos per acoplar bateries de sodi-sofre a sistemes d'energia solar tèrmica.Chen. (2015). A Combined Sodium Sulphur Battery/Solar Thermal Collector System for Energy Storage. International Conference on Computer Science and Environmental Engineering (CSEE 2015), 428–439. L'energia calorífica recollida del sol s'utilitzaria per preescalfar les cèl·lules i mantenir les altes temperatures durant períodes curts entre usos. Un cop en funcionament, la calor produïda pels cicles de càrrega i descàrrega és suficient per mantenir les temperatures de funcionament i normalment no es requereix cap font externa.
Quan el sodi cedeix un electró, l'ió Na+ migra al contenidor de sofre. L'electró condueix un corrent elèctric a través del sodi fos fins al contacte, a través de la càrrega elèctrica i de tornada al contenidor de sofre. Aquí, un altre electró reacciona amb el sofre per formar Sn2−, polisulfur de sodi. El procés de descàrrega es pot representar de la següent manera:
2 Na + 4 S → Na2S4 ( Ecel·la ~ 2 V)
A mesura que la pila es descarrega, el nivell de sodi baixa. Durant la fase de càrrega té lloc el procés invers.
Seguretat El sodi pur presenta un perill, ja que es crema espontàniament en contacte amb l'aire i la humitat, per la qual cosa es requereixen mesures de seguretat per evitar el contacte directe amb l'aigua i les atmosferes oxidants.
Incendi de la planta de Tsukuba del 2011 A primera hora del matí del 21 de setembre de 2011, un sistema de bateries NaS de 2000 quilowatts fabricat per NGK Insulators, propietat de Tokyo Electric Power Company, utilitzat per emmagatzemar electricitat i instal·lat a la planta de Mitsubishi Materials Corporation de Tsukuba, al Japó, es va incendiar. Arran de l'incident, NGK va suspendre temporalment la producció de bateries NaS. Segons un informe de TÜV Rheinland, es van adoptar mesures de seguretat addicionals posteriorment: "NGK va implementar mesures de seguretat addicionals a nivell de mòdul i bateria, es van introduir controls de qualitat automatitzats addicionals durant la producció de cel·les, es va reduir el nombre de cel·les per mòdul i es van instal·lar fusibles addicionals. La interconnexió/cablejat de les cel·les es va canviar de manera que, en cas de curtcircuit intern (per exemple, a causa d'una fuita de material conductor d'una cel·la), es pot descartar raonablement una propagació posterior amb conseqüències greus. Les mesures de seguretat addicionals implementades permeten descartar raonablement l'ocurrència d'incidents amb conseqüències similars als que es van produir el 2011 i anteriors (fuga tèrmica de mòduls complets, incendis)."
Desenvolupament Estats Units Ford Motor Company va ser pionera en la bateria a la dècada del 1960 per alimentar els primers models de cotxes elèctrics. El 1989, Ford va reprendre el seu treball en un cotxe elèctric alimentat per bateries Na-S, que es va anomenar Ford Ecostar. El cotxe tenia una autonomia de 160 km, que era el doble que qualsevol altre cotxe totalment elèctric demostrat anteriorment. 68 d'aquests vehicles van ser llogats a United Parcel Service, Detroit Edison Company, US Post Office, Southern California Edison, Electric Power Research Institute i California Air Resources Board. Malgrat el baix cost dels materials, aquestes bateries eren cares de produir, ja que no es va aconseguir l'economia d'escala durant aquest temps. A més, es va estimar que la durada de la bateria era de només 2 anys. Tanmateix, el programa es va cancel·lar el 1995, després que dues de les bateries dels cotxes llogats s'incendiessin.Long Hard Road: The Lithium-Ion Battery and the Electric Car. 2022. C.J. Murray. https://www.amazon.com/Long-Hard-Road-Lithium-Ion-Electric/dp/1612497624/ref=sr_1_1?crid=176CB5599LUX6&keywords=long+hard+road+the+lithium-ion+battery+and+the+electric+car&qid=1697893528&sprefix=Long+Hard+Road%3A+The+Lithium-Ion+Battery+and+the+Electric+Car%2Caps%2C68&sr=8-1
Japó La bateria NaS va ser un dels quatre tipus de bateries seleccionades com a candidates per a una investigació intensiva del MITI com a part del "Projecte Moonlight" el 1980. Aquest projecte pretenia desenvolupar un dispositiu d'emmagatzematge d'energia durador que complís els criteris que es mostren a continuació en un projecte de 10 anys.
Reptes Les bateries de beta-alúmina de sodi fos no van complir les expectatives de durabilitat i seguretat, que van ser la base de diversos intents de comercialització a la dècada de 1980. Es va determinar una vida útil característica de les bateries de NaS com a 1.000-2.000 cicles en una distribució de Weibull amb k = 0,5. Hi ha diverses vies de degradació:
Durant la càrrega, les dendrites metàl·liques de sodi tendeixen a formar-se (lentament després de diversos cicles) i propagar-se (bastant ràpidament un cop nucleen) cap als límits intergrans de l'electròlit sòlid de beta-alúmina, cosa que finalment provoca un curtcircuit intern i una fallada immediata. En general, cal superar un llindar significatiu de densitat de corrent abans que s'iniciï una degradació per fractura en Mode I tan ràpida. La capa superficial de beta-alúmina al costat Na es torna grisa després de > 100 cicles. Això és causat per un creixement més lent de glòbuls metàl·lics de sodi de mida micrònica a les unions triples entre els grans de l'electròlit sòlid. Aquest procés és possible perquè la conductivitat electrònica de la beta-alúmina és petita però no zero. La formació d'aquests glòbuls metàl·lics de sodi augmenta gradualment la conductivitat electrònica de l'electròlit i provoca fuites electròniques i autodescàrrega; L'enfosquiment de la beta-alúmina també es produeix al costat del sofre en passar corrent elèctric, tot i que a un ritme més lent que l'enfosquiment al costat del sodi. Es creu que es deu a la deposició de carboni, que s'afegeix al sofre a granel per proporcionar conductivitat electrònica. S'ha suggerit que la manca d'oxigen a l'alúmina prop de l'elèctrode de sodi és una possible causa de la formació d'esquerdes següent. S'ha suggerit la desproporció del sofre en sulfat d'alumini i polisulfur de sodi com a via de degradació. Aquest mecanisme no s'esmenta en publicacions posteriors.