钠离子电池

钠离子电池，可在低于100℃的温度下工作实证试验中的电池模块住友电气工业与京都大学能源科学研究科的萩原研究室，共同开发出了可在低于100℃的中低温下工作的钠（Na）离子充电电池。目前已在住友电工的大阪制作所，将4台9kWh的电池模块（36kWh）连接到该所内的电力系统上进行实证试验。住友电工本来一直在从事蓄电用大型钒系氧化还原液流电池（RedoxFlowBattery）、镍氢充电电池用多孔集电体以及锂离子充电电池极耳（TabLead）等电池部件业务。其中，面向电动汽车和定置用蓄电系统的充电电池市场逐渐扩大，作为在锂（Li）等资源方面可能会受到制约的锂离子充电电池的替代品，住友电工开发出了钠离子充电电池。此次开发的钠离子充电电池，在正负极的活性物质中采用了资源丰富的钠，而且负极的集电体可以采用Al箔而非Cu箔，与锂离子充电电池相比可以减低成本。住友电工全面进行量产的话，那么“将有可能实现每1kWh约2万日元的成本”（住友电工电子材料研究所金属无机材料技术研究部电气化学小组组长稻泽信二）。以前需要在300℃的温度下工作采用钠的充电电池目前有日本碍子（NGK）已实现商用化的NAS（硫磺钠）电池和瑞士MES-DEA公司的钠镍氯化物充电电池。不过，这些电池组合使用了熔融状态的钠以及陶瓷固体电解质，因此要想使电池进行工作，就需要将温度提高至300℃。而此次开发的电池，其特点是只用混有双(氟磺酰)亚胺钠（NaFSA）和双(氟磺酰)亚胺钾（KFSA）的熔融盐来构成电解液（图1）。电解液的熔点只有57℃，因此电池能在57～190℃的温度范围内工作。住友电工的稻泽表示，实际此次是在“70～80℃的温度下工作的”。图1：融点为57℃的熔融盐采用融点为106℃的NaFSA和融点为96℃的KFSA按照1比1比例进行混合得到的熔融盐，融点降至57℃。正极材料采用的是亚铬酸钠（NaCrO2），负极材料采用的是钠合金。试制单元的容量为250Wh，能量密度为167Wh/kg（290Wh/L）。电池单元可在3.5～2.5V的范围内进行充放电，放电电压平均为3.0V（图2）。与锂离子充电电池相比，虽然平均电压下降，但循环特性与锂离子充电电池基本相同。图2：可确保与锂离子充电电池同等的性能此次开发的钠离子充电电池，虽然电压较低，但却表现出了与锂离子充电电池同等的性能（a）。循环特性也与锂离子充电电池同等，100次循环后仍可确保80％以上的容量维持率（b）。具有出色的热稳定性据住友电工介绍，此次开发的熔融盐为无机电解液，不会起火，而且正极材料不会放出氧，因此不会产生锂离子充电电池中存在的、因过充电和电池温度升高而引起的热失控问题。实际的过充电试验中，如果电压上升，正极材料亚铬酸钠的结晶构造就会发生变化，但由于采用铬（Cr）和氧紧密结合的铬氧化物，因此不会产生氧。持续保持过充电状态时，熔融盐会发生分解，并通过聚合反应形成聚合物状，完全失去作为电池的功能（图3）。图3：过充电和发生火灾时也不会燃烧此次开发的钠离子充电电池具有出色的安全性。过充电时，正极活性物质的结晶构造会发生变化，此外熔融盐会发生分解，失去作为电池的功能（a）。电池不会因火灾等原因而燃烧，即使熔融盐温度变高，也不会产生氧（b）。现已确认，即使发生火灾导致温度上升，熔融盐也只会产生不易燃的气体。因此，在实际的电池单元中，只需设置排气阀即可。据住友电工介绍，由于具有上述出色的热稳定性，因此在构成电池模块时，无需散热空间以及防火防爆装置，能够以高密度配置电池单元。据住友电工估算，如果是相同容量的电池模块，其容积只有锂离子充电电池的1/2左右、NAS电池的1/4左右。住友电工正在考虑对容量为数十MWh以上的大型电池采用氧化还原液流电池，随数MWh以下用途采用钠离子充电电池，将两者区别对待。将争取使钠离子充电电池用于中等规模的电网及普通住宅的电力储存以及频繁行驶的卡车及巴士等商用车上。在今后的研发中，住友电工计划继续开发能在比57℃更低的温度下工作的钠离子充电电池熔融盐。