中國粉體網訊  近年來，鋰離子電池被市場充分激活，技術成熟度迅速提高，因而發展勢頭強勁，占據了中國和美國儲能市場絕大部分份額，但是掌握鈉硫電池成熟技術的日本，卻仍將鈉硫電池作為電化學儲能技術的第一選擇。這其中有哪些原因和發展過程呢？

日本鈉硫電池的發展及應用現狀

據中國粉體網的了解，雖然鈉硫電池早期在國內外航空航天和電動汽車等領域開展應用示范，但是鈉硫電池的儲能商業化運作是始于1983年日本礙子株式會社（NGK公司）和東京電力公司的合作，開發用于靜態能量存儲的鈉硫電池儲能系統。

2002年，NGK公司正式量產鈉硫電池，并通過東京電力公司開發儲能系統投入商業運行，目前在全球運行了超過200個儲能電站項目，4GWh以上的鈉硫電池儲能系統。

（圖源：NGK官網）

然而，2011年9月，東京電力公司為三菱材料株式會社筑波廠安裝的鈉硫電池（NGK生產）系統發生火災，這一事件在一定程度上造成了業界對于鈉硫電池安全性的擔憂。

其后，NGK先對正在運行的鈉硫電池電站的模組和系統進行安全隱患維護，并對新生產的電池在電芯層面和模塊層面同時采取了多種提高安全保障的新措施。通過采取一系列應對舉措后，從2013年開始，NGK生產的鈉硫電池在日本、阿聯酋和歐洲等國家和地區持續有大型儲能項目上線。

2016年3月，NGK公司和九州電力株式會社共同推出的50MW/300MWh鈉硫電池儲能系統改善電力供需平衡的示范項目開始運行，是當時全球最大的大容量儲能電站。

2019年，NGK在阿布扎比酋長國完成的一個項目使用了108MW/648MWh的鈉硫電池儲能系統，持續放電時間達6h。

在意大利，鈉硫電池的電芯和模塊經過了嚴謹的風險評估，包括內源性短路和外源性火災、地震、洪水、直接和間接閃電、蓄意破壞、高空墜落等濫用場景。評估結果顯示，經過安全性提升的鈉硫電池技術具有較高的安全可靠性。

鈉硫電池的內部構造及工作原理

據NGK的介紹，鈉硫電池的單電池為圓筒狀的完全密封結構。是由作為活性物質的鈉(Na)和硫磺(S)以及精細陶瓷的電解質構成。Na為負極活性物質，S為正極活性物質。在300℃的單節電池中，Na和S是液體，電解質是固體的狀態。固體電解質的陶瓷材料使用了Na離子導電性的β氧化鋁。

放電時，負極的鈉釋放出電子成為鈉離子，通過固體電解質向正極移動。正極的硫和從外部回路的電子Na離子發生化學反應，變化為多硫化鈉(Na2Sx)。負極的Na被消耗減少。從負極向外部回路被釋放出的向正極移動的電子流變成為電力。

充電時，由于從外部的電力供給，發生放電反應的逆反應。從外部施加電壓，正極的Na2Sx分離為Na離子，S，電子。Na離子通過固體電解質，向負極移動。在負極Na離子接收電子還原為Na。

鈉硫電池的優良特性及應用需求

優良特性

1)比能量高。目前，鈉硫電池的實際能量密度已達到240Wh/kg和390Wh/L以上，與三元鋰離子電池相當。

2)功率密度高。用于儲能的鈉硫單體電池功率可達到120W以上，形成模塊后，模塊功率通常達到數十千瓦，可直接用于儲能。

3)長壽命。電池可滿充滿放循環4500次以上，壽命為10~15年。

4)庫倫效率高。由于采用固體電解質，電池幾乎沒有自放電，充放電效率約為100%。

5)環境適應性好。由于電池通過保溫箱恒溫運行，因此環境溫度適應范圍廣，通常為–40~60℃。

6)電池運行無污染。電池采用全密封結構，運行中無振動、無噪聲，沒有氣體放出。

7)電池原料成本低廉，無資源爭奪隱患，結構簡單，維護方便。

鈉硫電池與鋰離子電池應用于儲能的主要技術參數

應用需求

儲能鈉硫電池可針對極端環境（如高熱、高寒、高鹽腐蝕等）下的風能、太陽能等可再生能源發電企業配套大容量、安全可靠的儲能系統；為載人潛艇、陸軍戰車、水下平臺等提供動力，服務國防科技事業；為第五代移動通信技術（5G）通信基站、數據中心等室內用電大戶提供備用電源，為國家的節能減排事業及“碳中和”戰略做出貢獻。

儲能鈉硫電池的應用領域為鋰離子電池技術提供有益補充，其主要的應用場景如下：

極端環境應用：事實上，傳統的液體電解質基二次電池難以滿足極端高低溫應用需求。具有較高的能量密度、10年以上運行壽命和對環境溫度不敏感等特性的固體電解質基鈉硫電池被證明非常適合極端高低溫的應用場景。在熱帶沙漠氣候的阿拉伯聯合酋長國，鈉硫電池被認為是比鋰離子電池更優異的儲能技術。在日本，鈉硫電池被選擇成為火箭發射場的備用電源。

長時儲能：近年來，鋰離子電池在新型儲能建設中占據絕對主導地位，但它們的供電持續時間很少能超過4h。雖然鋰離子電池在技術上可以實現更長時間的放電，但是出于資源稀缺和安全性的考慮，將它用于長時儲能的成本通常高于它的價值。

鈉硫電池已在全球范圍內提供容量超過540MW/3780MWh的儲能系統，顯示了有效的調峰、負載均衡和節能減排的能力，被認為是最有效的額定輸出6h以上的長時電化學儲能電池之一。同時，鈉硫電池具有模塊化擴展的特性，有潛力提供8h以上或更長時的供電系統。

鈉硫電池生產制造的核心技術

高溫鈉硫電池電芯的核心技術包括了β"-氧化鋁精細陶瓷的燒制、電池密封技術、負極潤濕保護管設計、正極外殼防腐蝕和正負極裝填技術等。

首先，β"-氧化鋁精細陶瓷的質量和一致性深刻影響電池的電化學性能和安全特性，是最為關鍵的一環。

其次，任何一個密封部件的損壞都會導致正負極材料的蒸汽直接接觸而發生反應，因此電池密封技術成為鈉硫電池的核心技術之一。

再次，熔融硫和多硫化鈉對金屬具有強腐蝕性，因此包括作為正極集流體的外殼在內的接液部件的防腐蝕技術也是鈉硫電池實用化的關鍵。

最后，電池正負極的有效裝填及其與固體電解質之間界面的潤濕層設計是電池高性能運行的必備要素。

參考來源：

胡英瑛等：儲能鈉電池技術發展的挑戰與思考

胡英瑛等：儲能鈉硫電池的工程化研究進展與展望

NGK官網

（中國粉體網編輯整理/平安）

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