Qu’est-ce qu’une batterie de sel fondu?


Les batteries de sels fondus, en particulier les batteries de métal liquide, gagnent de plus en plus d’intérêt de la communauté de l’énergie comme une solution de stockage d’énergie de la grille pour les sources d’énergie renouvelables. Combinant la haute énergie et des densités de puissance, les durées de vie longues, et des matériaux à faible coût, ils ont le potentiel pour répondre aux exigences uniques de stockage d’énergie à l’échelle de la grille. Une batterie thermique est une classe de batterie qui utilise un électrolyte de sels fondu. Les composants des batteries à sels fondus sont solides à la température ambiante, ce qui permet de les stocker inactif pendant des périodes de temps. Lors de l’activation, les couches de cathode, anode et l’électrolyte se séparent en raison de leurs densités relatives et non miscibilité. La couche de sel fondu dans le milieu sert un électrolyte avec une haute conductivité ionique, et est le moyen par lequel les espèces ioniques voyage comme les charges et décharges batterie.

Avantages d’une batterie de sel fondu

Les batteries de sel fondu portent plusieurs avantages inhérents sur leurs contemporains de l’état solide. Depuis certaines (ou toutes dans le cas des batteries de métal liquide) des composants sont liquides, les batteries possèdent une densité plus élevée de courant, plus le cycle de vie, et simplifié le système de fabrication à des applications à grande échelle. En l’absence de membranes ou de systèmes de séparation sont en cause, la durée de cycle est plus élevée et l’efficacité énergétique peut être conservée pendant une période de temps plus longue. La société de stockage d’énergie à l’échelle de la grille Ambri a précédemment montré que une batterie de métal plomb-antimoine et le liquide de lithium devrait conserver 85 pour cent de son efficacité initiale plus d’une décennie de cycles quotidiens de charge / décharge. Etant donné que la pile est essentiellement un récipient contenant trois phases liquides, la construction est aussi simple que la coulée du métal lourd dans le fond, l’électrolyte dans le milieu, et l’électrode sur top. Le léger inconvénient majeur de cette conception est la température de fonctionnement élevée nécessaire afin de maintenir les composants à l’état liquide. Cependant, dans une application à grande échelle de la grille, ces températures élevées peuvent être aisément maintenues à l’aide de la chaleur générée pendant les cycles de charge et de décharge.

Histoire des Batteries de sel fondu

Les premières batteries de sel fondu en fait ne sont pas destinés à fonctionner pendant de très longues périodes de temps du tout, mais ont plutôt été utilisés comme des batteries primaires d’activation unique pour les bombes et roquettes. Inventé par l’Allemand Georg Otto Erb, les premières cellules pratiques ont été appelés batteries thermiques et alors qu’ils ont jamais été utilisés pendant la guerre, la Division du développement d’Ordnance aux États-Unis finiraient par acquérir la technologie et l’utiliser pour des fusées de puissance, des bombes, et même armes nucléaires. Ces premières batteries pourraient durer indéfiniment (plus de 50 ans) à l’état solide tout en fournissant une énorme explosion de puissance. Les batteries thermiques d’aujourd’hui sont encore utilisés comme source d’énergie principale pour les missiles comme l’AIM-9 Sidewinder, BGM-109 Tomahawk et le MIM-104 Patriot.

En 1966, Ford Motor Company a inventé le Sodium-Soufre (NAS) de la batterie de métal liquide pour l’application de véhicule électrique. La densité de puissance élevée et grande capacité énergétique semblaient prometteurs, mais la température de fonctionnement élevée de 290 à 390 ° C causées a obligé Ford d’abandonner la recherche et le développement. En 1983, Tokyo Electric Power Company (TEPCO) et Nippon Gaishi Kaisha (NGK) ont réalisé le potentiel pour le système de batterie NAS en tant que solution pour le stockage de la grille et a commencé la recherche et le développement de la technologie. En 1993, le premier prototype à grande échelle d’un tel système a été testé sur le terrain au Tsunashima la sous-station de TEPCO. Le système se composait de trois 2 MW, de batteries de 6,6 kV. Cela a jeté les bases pour la ligne actuelle de stockage de grille NaS batteries, qui produisent 90 MW de capacité de stockage chaque année de NGK / TEPCO consortium.

Pendant ce temps, à Pretoria, en Afrique du Sud, 1985, le projet zéolite Batterie Africa Research (ZEBRA) dirigée par le Dr Johan Coetzer au Conseil pour la recherche scientifique et industrielle, a inventé la première batterie de nickel de chlorure de sodium. Il avait une énergie spécifique de 90 Wh / kg, un bêta alumine électrolyte solide notamment stable, et une résistance accrue à la corrosion sur NAS. Cette conception, tout roman, n’a pas encore vu la grille commerciale des applications de stockage à grande échelle et reste un sujet brûlant dans la recherche et le développement batterie. Ils ont cependant été déployée par FIAMM Sonick et utilisé dans le Modec électrique Van.

Différents types de sel fondu Batteries

– Thermiques (non rechargeables)

Les batteries thermiques utilisés pour les fusées et missiles de puissance sont des batteries primaires et destinée à délivrer une puissance élevée sur une courte période de temps, de l’ordre de quelques secondes à un peu plus d’une heure. Il y a généralement deux types de conception. La première implique l’utilisation d’une bande de mise à feu, constitué d’une poudre métallique de zirconium et de chromate de baryum dans un papier céramique le long du bord de pastilles de chaleur pour enflammer le processus de gravure. La bande de la fusée est enflammé par un pétard qui applique un courant électrique. La seconde implique un trou au centre de la pile de batterie qui se remplit d’un mélange de particules incandescentes et des gaz chauds lors de l’allumage déclenché électriquement. Ce processus est plus rapide, de l’ordre de dizaines de millisecondes par rapport aux centaines de millisecondes avec la conception de la bande de la fusée. Les batteries thermiques actuels utilisent des cathodes constituées de disulfure de fer ou de cobalt avec du disulfure de silicium de lithium ou d’alliages d’aluminium. Cependant, les chimiques plus anciens utilisaient des anodes de magnésium ou de calcium et le chromate de calcium, l’oxyde de tungstène ou de vanadium cathodes. Toutes ces conceptions ont utilisé une couche d’électrolyte de sel fondu, normalement constitué par le chlorure de lithium et de chlorure de potassium. Les Électrolytes eutectiques ont également utilisé du bromure de lithium et le bromure de potassium ont également été utilisés pour augmenter la durée de cycle.

– Les batteries au sodium-soufre

Les batteries de Sodium-Soufre (NAS) sont fabriquées à partir de matériaux peu coûteux et abondants. La conception typique comprend une membrane d’électrolyte solide entre l’anode et la cathode encastrées dans un cylindre en acier protégé avec un intérieur de chrome et de molybdène. Le sodium en fusion au centre de la cellule sert d’anode qui donne des électrons dans le circuit externe. Le noyau de sodium est enfermé dans un cylindre béta-alumine électrolyte solide (BASE) qui facilite le mouvement des ions Na + de l’électrode de soufre extérieur qui sert de cathode, tout en empêchant les deux électrodes de court-circuit. NGK dirige actuellement une ligne de batteries NaS de stockage de grille réussie, et est considéré comme le plus grand fournisseur de la batterie grille à l’échelle mondiale desservant l’Amérique du Nord, en Asie et en Europe. Chaque système de batterie 1 MW x 6 MWh standard contient 20 modules capables de fournir 50 kW AC dans une plage de température de fonctionnement de 300-350 ° C.

– Les batteries Sodium Nickel Chloride

Les batteries Sodium Nickel Chloride (Na-NiCl2) utilisent également un noyau de sodium fondu, mais utilise le nickel comme l’électrode positive dans l’état et chlorure de nickel déchargé à l’état chargé. Les deux formes de l’électrode de nickel sont insolubles dans leur état liquide et un bêta alumine céramique conductrice de sodium est utilisé en tant que séparateur. A la place du sodium élémentaire pur trouvé dans les batteries NAS, un tétrachloroaluminate (NaAlCl4) noyau est préféré. Les Batteries Na-NiCl2 sont parfois appelés batteries à halogénures métalliques de sodium et en plus de se vanter de longues durées de vie d’exploitation, la capacité à être assemblés à l’état déchargé, et une chimie plus sûre que NAS. Normal Plage de température de fonctionnement de batteries Na-NiCl2 sont dans la gamme 270-350 ° C, mais une entreprise, Sumitomo a pu développer une chimie similaire en utilisant un sel qui fond à 61 ° C et fonctionne à 90 ° C; qu’ils avaient initialement prévu des essais commerciaux pour fin 2015 si seul le temps dira comment ils fonctionnent sur le marché.

Batteries de métal liquide

Une batterie au métal liquide est un nouveau type de batterie thermique conçu pour les applications de stockage de grille. D’abord proposé par Donald Sadoway, un institut de technologie du Massachusetts (MIT), en 2009, la batterie de métal liquide est composée d’un conteneur de collecte de courant rempli d’un antimoine cathode fondu au fond, un électrolyte de sel pour la couche médiane, et le magnésium liquide anode en métal en haut. Le magnésium a été initialement choisi pour son faible coût et faible solubilité avec électrolyte de sel fondu, mais la température de fonctionnement plus élevée de 700 ° C l’a incité à passer de la chimie à une anode à base de lithium en 2011. La température de fonctionnement plus élevée était souhaitable car elle a entraîné plus taux de corrosion, en abaissant l’efficacité totale de stockage, et les coûts de plus de la durée de vie de la batterie de plus en plus. La conception actuelle utilise donc une anode de lithium liquide, un mélange fondu de sels de lithium comme électrolyte et une cathode conduit d’antimoine capable de fonctionner à une température réduite de 450 ° C grâce à des points de fusion inférieurs de nouvelles électrodes.

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