Введение

Быстрый ионный проводник Бета-алюминиевый твердый электролит (BASE) - это быстрый ионный проводник, используемый в качестве мембраны в нескольких типах электрохимических ячеек из расплавленной соли. В настоящее время не существует известных заменителей. Натрийно-серные аккумуляторы в 1970-х и 1980-х годах вызывали большой интерес во всем мире, но интерес к технологии для использования в транспортных средствах уменьшился по ряду технических и экономических причин. Его "преемник", натриево-никелево-хлоридная батарея, представляет коммерческий интерес. Натрийно-никелево-хлоридная батарея (или батарея ZEBRA) разрабатывалась почти 20 лет. Кристалл состоит из плотно упакованных "спинельных" блоков, разделенных свободно упакованными проводящими плоскостями. Спиннельные блоки связаны связями Al O Al. Эти плоскости проводимости содержат подвижные ионы натрия, что делает β-алюминий ионным проводником. β-алюминий обычно не стехиометричен. Общая формула дается Na {1+x}Al {11}O {17+x/2}, с избытком атомов натрия, сбалансированных избытком атомов кислорода. Это стехиометрическое соединение, но обычно оно не стабильно. Обычно около 0,3. Ионы K+, Ag+, Tl+, NH 4+, H 3O+ могут заменить натрий в проводящем слое. Были определены три важных места для механизма проводимости в плоскостях проводимости. Это три возможных положения для иона натрия, названного Бевер Росс (BR), анти Бевер Росс (aBR) и средний кислород (mO). Первые два названы в честь ученого, который впервые определил их положение. Последний называется средним кислородом, так как это положение находится между двумя ионами кислорода в плоскости проводимости. Эти три положения находятся в , и соответственно, при принятии одной из точек симметрии в качестве источника. Ион натрия, скорее всего, находится в положении BR,

Производство

Для крупномасштабных и экономичных нужд в хранении энергии натриевые батареи, работающие при высоких температурах, демонстрируют признаки успеха. Ионно-проводящая β-алюмина играет ключевую роль в производительности аккумуляторных элементов, требуя разработки оптимальной микроструктуры и чистоты для обеспечения полезных электрических и механических свойств. В настоящее время высокотехнологичные методы производства для получения электролитов β-алюминия включают в себя: изостатическое прессование и электрофоретическое осаждение (EDP). Изостатическое прессование - это процесс, при котором литые прессятся в компактные твердые частицы с помощью формы и давления. Электрофоретическое осаждение - это процесс, при котором мигрирующие коллоидные частицы, суспендированные в среде, используют электрическое поле для получения желаемого материала. Оба процесса, хотя и приводят к хорошей продукции, требуют многочисленных шагов для создания партии, что значительно способствует снижению стоимости батареи. Для производства больших объемов требуется упрощенный низкий расход и непрерывный процесс. Это предлагается экструзией. Экструзия, при которой материал проходит через штамп, чтобы получить желаемый поперечный сечение в конечном продукте, предлагает эту возможность. В настоящее время он показывает многообещающие результаты с приемлемым качеством керамики, имеющим потенциал для значительного снижения издержек производства.

Приложения

В последние десятилетия было исследовано несколько устройств на основе β-алюминия для преобразования и хранения энергии. Важными свойствами твердых электролитов β-алюминия являются высокая ионная проводимость, но низкое число электронных переносов и химическая пассивность. Его также можно придать полезной форме.

Натрия/серы

Исследования и разработки натриево-серных элементов достигли точки, когда эта технология теперь коммерциализируется. Средние агрегаты имеют мощность в диапазоне от 50 до 400 кВт-ч. Его срок службы оценивается в 15 лет, около 4500 циклов при эффективности 85%. Быстрое время отклика, заявленная скорость порядка 1 мс, добавляет к общей полезности батареи. Во время работы требуется высокая температура 300-400 градусов Цельсия Натрий-серные батареи имеют основу технологии расплавленной соли, где расплавленный натрий и серу используются в качестве электродов батареи. Для сохранения расплавленности компонентов во время работы требуется высокая температура 300-400 градусов по Цельсию. Электричество генерируется таким образом, что во время разряда атомы металла выделяются из натрия, перемещаясь к положительному электроду через электролит. Электролит состоит из бета-алюминиевой трубки. Благодаря быстрой и эффективной транспортировке ионов, β-алюминий позволяет батарее работать на таких высоких скоростях и эффективности. Применение этих батарей обычно в области возобновляемой энергии, основная функция которых - сброс пиковых температур и стабилизация энергии. Для этого важнейшим является высокий ионный транспорт, обеспечиваемый бета-алюминией.

Натриевая амальгамо-галогенная ячейка

Разработка нового класса первичных клеток с высокой плотностью энергии с использованием β-алюминиевых мембран является прогрессивным процессом. Эти элементы предназначены для работы при комнатной температуре и имеют длительный срок хранения и эксплуатационного срока. Предполагаемые применения включают, например, кардиостимуляторы и электронные часы.

Натрия Тепловой двигатель

В сердце натриевого теплового двигателя в центре помещена керамическая трубчатая мембрана из бета-алюминия. Систему можно рассматривать как содовую паровую ячейку, где дифференциал давления контролируется двумя тепловыми резервуарами. Разница температур между двумя регионами приводит к определенной разнице активности натрия, натрий расширяется почти изотермически. Поскольку электролит бета-алюминия не проводит электроны благоприятно, расширение вызывает ионы натрия через мембрану и электроны через внешнюю цепь. На пористом электроде ионы нейтрализуются на стороне низкого давления, нейтральные атомы испаряются через паромную камеру, заканчиваясь конденсатором. Затем охлажденный жидкий натрий перекачивается обратно в область высокой температуры. Для этого применения бета-алюмина особенно применима, поскольку наиболее эффективные характеристики теплового двигателя являются результатом свойств рабочей жидкости. Для применения в тепловых двигателях требуется электролит с долговременной прочностью. Это одна из особенностей, которые дает горячий натрий, сопротивляемость электролита особенно низка при высокой рабочей температуре. Поскольку эффективность преобразования почти не зависит от размера, этот тепловой двигатель имеет модульную форму и может стать кандидатом для локальной генерации электроэнергии в энергетических системах. На сегодняшний день она имеет наибольшее применение в сочетании с солнечными тепловыми электрическими системами. В прошлом рассматривалась возможность использования в стационарных хранилищах энергии и в электромобилях. Основным недостатком этих батарей является то, что они работают при 300 градусах Цельсия, когда автомобиль не используется, ему нужен внешний источник тепла, чтобы поддерживать работу батареи. Было проведено исследование, будет ли это внешнее нагревание потреблять больше энергии, чем батареи при температуре окружающей среды. В результате было установлено, что батарея ZEBRA не потребляет больше электроэнергии, чем традиционная батарея, из-за изменения повседневных привычек вождения. Наиболее эффективным вариантом использования этой батареи будет использование ее в тех областях, где она наиболее широко используется, например, в общественном транспорте. Стационарные системы хранения энергии, особенно сегменты с 2-12 часами полуцикла, хорошо подходят для натриевых батарей бета-алюминиевого типа. General Electric пыталась коммерциализировать аккумуляторы ZEBRA для стационарного хранения энергии в 2011-2015 годах, но не смогла этого сделать. Похоже, что причины неудачи GE были техническими, а не экономическими. В частности, разложение бета-алюминия, такое как образование натриевых металлических дендритов между зернами в твердом электролите, кажется основной причиной слабого внедрения этой технологии во всех рыночных нишах.

Допинг

В настоящее время исследования по допированию кристаллической структуры твердого электролита могут привести к более благоприятным характеристикам материала. При добавлении железа в диапазоне состава он может достичь более высокой ионной проводимости по сравнению с недопированной версией. Концентрация и тип допанта являются переменными, которые могут изменить свойства материала. Использование больших количеств допинга имеет как контрпродуктивный негативный эффект, что электрическая проводимость электролита повышается. Исследования направлены на поиск компромисса между ионной и электрической проводимостью.