Кіріспе
Тез ионды өткізгіш материал Бета-алюминалық қатты электролит (BASE) - бірнеше балқытылған тұз электр химиялық элементінің түрлерінде мембрана ретінде қолданылатын жылдам ионды өткізгіш материал. Қазіргі уақытта оны алмастыратын дәрі-дәрмек жоқ. Натрий-көкөрт аккумуляторы 1970-1980 жылдары бүкіл әлемде үлкен қызығушылық туғызған, бірақ көлік құралдарында қолданылатын технологияға қызығушылық әртүрлі техникалық және экономикалық себептермен төмендеді. Оның "бақытшысы" - натрий-никель хлориді аккумуляторы коммерциялық қызығушылық туғызады. Натрий-никель хлориді аккумуляторы (немесе ZEBRA аккумуляторы) 20 жыл бойы әзірленуде. Кристалл қатты жиналған "спинельді" блоктардан тұрады, оларды еріктей жиналған өткізгіш жазықтықтар бөледі. Спинел блоктары АЛОАЛ байланыстары арқылы байланысады. Бұл өткізгіш жазықтықта жылжымалы натрий иондары бар, бұл β алюминийді иондық өткізгіш етеді. β алюминий негізінен стехиометриялық емес. Жалпы формула Na {1+x}Al {11}O {17+x/2} арқылы беріледі, натрий атомдарының артық болуы, оттегі атомдарының артық болуымен теңдестіріледі. стехиометриялық қосылысты құрайды, бірақ әдетте тұрақты емес. Жалпы алғанда 0,3-ке жуық. K+, Ag+, Tl+, NH 4+, H 3O+ иондары өткізгіш қабаттағы натрийді алмастыра алады. Өткiзу тетіктерiнiң үш маңызды орны анықталды. Бұл натрий ионының үш ықтимал орны, Бевер Росс (BR), анти Бевер Росс (aBR) және ортадағы оттегі (mO). Алғашқы екеуінің есімі осы позицияларды алғаш анықтаған ғалымның атымен берілген. Соңғысы ортаңғы оттегі деп аталады, өйткені ол өткізгіш жазықтықтағы екі оттегі ионының дәл арасындағы орын. Бұл үш позиция , және тиісінше, симметрия нүктелерінің біреуін шығу тегі ретінде алғанда. Натрий ионы BR позициясында болуы мүмкін,
Beta alumina solid electrolyte (BASE) is a fast ion conductor material used as a membrane in several types of molten salt electrochemical cell. Currently there is no known substitute available. The sodium–sulfur battery was a topic of intense worldwide interest during the 1970s and 1980s, but interest in the technology for vehicle use diminished for a variety of technical and economic reasons. Its "successor", the sodium nickel chloride battery, is of commercial interest. The sodium nickel chloride battery (or ZEBRA battery) has been under development for almost 20 years. The crystal consists of closely packed 'spinel' blocks, separated by loosely packed conduction planes. The spinel blocks are linked by Al O Al bonds. These conduction planes contain mobile sodium ions, which makes the β alumina an ionic conductor. β alumina is generally non stoichiometric. The general formula is given by Na {1+x}Al {11}O {17+x/2}, with the excess of sodium atoms, balanced by an excess of oxygen atoms. would be the stoichiometric compound, but is normally not stable. Generally is around 0.3. The ions K+, Ag+, Tl+, NH 4+, H 3O+ can replace the sodium in the conduction layer. Three important sites for the conduction mechanism in the conduction planes have been identified. These are three possible positions for the sodium ion, named Bever Ross (BR), anti Bever Ross (aBR) and mid oxygen (mO). The first two are named after the scientist who first identified these positions. The last is named mid oxygen, as it is the position exactly between two oxygen ions in the conduction plane. These three position are at , and respectively, when taking one of the symmetry points as the origin. The sodium ion is most likely at the BR position,
Өндіріс
Энергияны сақтаудың үлкен көлемде және тиімді шығындар үшін жоғары температурада жұмыс істейтін натрий батареялары табыстылықтың белгілерін көрсетеді. Ионды өткізгіш β алюминий батарея жасушаларының жұмыс істеуінде маңызды рөл атқарады, пайдалы электрлік және механикалық қасиеттерді қамтамасыз ету үшін оптималдық микроқұрылым мен тазалықты әзірлеуді талап етеді. β алюминий электролиттерін өндірудің қазіргі заманғы жоғары сапалы өндіріс әдістеріне мыналар жатады: изостатикалық престеу және электрофоретикалық шөгінділеу (EDP). Изостатикалық престеу - қалыпты және қысымды пайдалану арқылы құймаларды тығыз қатты денелерге престеу процесі. Электрофореттік жинақтау - бұл қажетті материалды алу үшін электр өрісін пайдалана отырып, ортада суспензияда тұрған колоидты бөлшектердің көшіп кету процесі. Екі процесс та жақсы өнімге әкелгенмен, партияны жасау үшін көптеген қадамдарды қажет етеді, бұл батареяның құнына елеулі үлес қосады. Үлкен көлемді өндіріс қарапайым, арзан және үздіксіз процестерді қажет етеді. Бұл экструзия арқылы ұсынылады. Экструзия, түпкілікті өнімдегі қажетті көлденең қиманы алу үшін материалды өлшеуіш арқылы қысу, осы мүмкіншілікті ұсынады. Қазіргі уақытта керамикалық сапасы қолайлы, өндіріс шығындарын едәуір төмендетуге мүмкіндік беретін перспективалы нәтижелер көрсетілуде.
Қолданбалар
Өткен онжылдықта энергияны конверсиялау және сақтау үшін β-алюминийге негізделген бірнеше құрылғылар зерттелді. β алюминий қатты электролиттерінің маңызды қасиеттері - жоғары иондық өткізгіштігі, бірақ төмен электронды көшіру саны және химиялық пассивтігі. Сондай-ақ, оны пайдалы пішіндерге да айналдыруға болады.
Натрий-күкірт аккумуляторы
Натрий- күкірт жасушасын зерттеу мен әзірлеу осы технологияны коммерцияландыру деңгейіне жетті. Орташа бірліктердің қуаты 50-400 кВт/сағ. Оның өмір сүру мерзімі шамамен 15 жыл, шамамен 4500 цикл, тиімділігі 85%. Жедел жауап беру уақыты, 1 мс жылдамдықтар батареяның жалпы пайдалылығына қосылады. Жұмыс істеу кезінде 300-400 градус Цельсий температурасы қажет Натрий-күкірт батареясы балқытылған тұз технологиясының негізінде, онда балқытылған натрий мен күкірт батареяның электроды ретінде қолданылады. Құрамдықтардың балқып қалуы үшін жұмыс кезінде 300-400 градус Цельсийдің жоғары температурасы қажет. Электр энергиясы электрлік разряд кезінде натрийден металл атомдары босап, электролит арқылы оң электродқа қарай қозғалады. Электролит бета-алюминий түтігінен тұрады. Ионды жылдам және тиімді тасымалдаудың арқасында β алюминий батареяның осы жоғары жылдамдықпен және тиімді жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Бұл батареялардың қолдануы көбінесе жаңартылатын энергия саласында, негізгі функциясы - шыңдарды шаю және энергияны тұрақтандыру. Бұл мақсатта бета-алюминаның жоғары ион тасымалы өте маңызды.
Sodium–sulphur batteries have a basis of molten salt technology where molten sodium and sulphur are used as the electrodes of the battery. A high temperature of 300 400 degrees Celsius is needed during operation for the components to remain molten. The electricity is generated in such a way that, during discharge, metal atoms are released form the sodium moving to the positive electrode through the electrolyte. The electrolyte consists of a beta alumina tube. Due to the fast and efficient ion transportation, β alumina allows the battery to function at these high speeds and efficiency. The application of these batteries are commonly in the field of renewable energy, the main function being peak shaving and energy stabilization. For this purpose the high ion transport beta alumina provides is crucial.
Натрий амальгамасы-халоген жасушасы
β алюминий мембраналарын пайдаланатын жаңа энергия тығыздылығы жоғары біріншілік жасушалар класының дамуы ілгерілеу процесінде болды. Бұл элементтер бөлме температурасында жұмыс істеуге арналған және ұзақ уақыт сақталуы және пайдалану мерзімі бар. Бұл мақсатта, мысалы, кардиостимуляторлар мен электрондық сағаттар қолданылады.
Натрийлі жылу қозғалтқышы
Натрийлі жылу қозғалтқышының ортасына бета-алюминий керамикалы түтікше мембрана орналастырылады. Жүйені екі жылу резервуары арқылы қысымның айырмашылығы бақыланатын натрий булары элементі ретінде қарастыруға болады. Екі аймақтың арасындағы температура айырмашылығына байланысты натрийдің белсенділігі ерекшеленеді, натрий қаз-қалпында изотермиялық түрде кеңейеді. Бета-алюминий электролиті электронды жақсы өткізбейтіндіктен, кеңейуі мембрана арқылы натрий иондарын және сыртқы контур арқылы электрондарды тудырады. Көлдірлі электродта иондар төмен қысым жағында бейтараптандырылады, бейтарап атомдар бу камерасы арқылы буланып, конденсаторға түседі. Салқындатылған сұйық натрий жоғары температуралы аймаққа қайта құйылады. Бұл үшін бета-алюминаны қолдануға болады, өйткені жылу қозғалтқышының ең тиімді ерекшеліктері жұмыс сұйықтығының қасиеттерінің нәтижесі болып табылады. Жылу қозғалтқышы үшін ұзақ уақытқа жарамды электролит қажет. Бұл ыстық натрийдің бір ерекшелігі, электролиттің кедергісі жоғары температурада өте төмен. Конверсия тиімділігі шамадан тыс болғандықтан, бұл жылу қозғалтқышы модульдік формада және энергия жүйелерінде жергілікті электр энергиясын өндіру үшін үміткер бола алады. Бүгінгі күнге дейін ол көбінесе күндізгі жылу электр жүйелерімен бірге қолданылады. Бұрын электр энергиясын тұрақты сақтау және электр көліктерде қолдану үшін қарастырылды. Бұл батареялардың басты кемшілігі - олар 300 градус Цельсийде жұмыс істейді, көлік қолданылмайтын кезде батареяны жұмыс істету үшін сыртқы жылу көзі қажет. Бұл сыртқы жылытудың қоршаған орта температурасындағы батареяларға қарағанда көп энергияны пайдаланатыны тексерілді. Нәтижесінде, ZEBRA аккумуляторы күнделікті жүргізу әдеттерінің өзгеруіне байланысты дәстүрлі аккумулятордан артық электр энергиясын пайдаланбайды. Осылайша, осы батареяны пайдаланудың ең тиімді түрі - ол көп қолданылатын салалар, мысалы, қоғамдық көліктер. Стационарлық энергияны сақтау, әсіресе 2-12 сағаттық жарты цикл уақыты бар сегменттер натрий бета-алюмина батареялары үшін жақсы сәйкес келеді. General Electric 2011-2015 жылдары стационарлық энергияны сақтау үшін ZEBRA батареяларын коммерцияландыруға тырысты, бірақ бұл іске аспады. GE-нің құлдырау себептері экономикалық емес, техникалық болған сияқты. Әсіресе, бета-алюминаның ыдырауы, мысалы қатты электролиттегі дәндердің арасында натрий металл дендриттерінің пайда болуы, осы технологияны барлық нарықтағы нишаларда нашар қолданудың басты себебі болып көрінеді.
Допинг қолдану
Қазіргі уақытта қатты электролиттің кристалдық құрылымын допингтеу тақырыбындағы зерттеулер материалдың жағымды сипаттамаларына әкелуі мүмкін. Құралым диапазонында темір қосылған кезде, ол доптанбаған нұсқаға қарағанда жоғары иондық өткізгіштікке қол жеткізе алады. Допанттың концентрациясы мен түрі материалдың қасиеттерін өзгерте алатын айнымалылар болып табылады. Допингтің жоғары мөлшерін қолдану электролиттің электр өткізгіштігін арттырады. Зерттеулер иондық және электрлік өткізгіштіктің арасындағы тепе-теңдікті табуға бағытталған.