钠硫电池工作原理简介

钠硫电池是以Na—beta—氧化铝（Al₂O₃）为电解质和隔膜，并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池。钠硫电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐。由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al₂O₃的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。其基本结构图如图3-11所示，其充放电原理图如图3-12所示。

图3-11 钠硫电池结构图

含熔融钠的阳极腔用β—氧化铝或β″—氧化铝电解质管将含熔融硫的阴极隔开。电解质管能传导钠离子，同时又是电子绝缘体。阳极与阴极之间用α—Al₂O₃电绝缘体密封。电池的外壳用不锈钢制造。阴极的集流器由纤维石墨垫和阴极浸透的炭组成，而阴极腔内部则用电镀铬等耐腐蚀材料保护。电池中有插入电解质管中的保护管，用不锈钢支撑，从钠的贮存槽延伸到电解质管的底部，它与钠计量装置结合，在电解质管万一破裂时，以控制钠硫之间的放热反应速度，在失效时限制温度偏移，限制值为高出额定工作温度100℃左右。在高温下，硫的蒸气压很高，因此钠硫电池必须是密封结构。

图3-12 钠硫电池充放电原理

工作中，放电时负极中的钠失去了电子成为Na+离子，由于含钠的β″—Al₂O₃陶瓷是钠离子导体，因而钠离子就能通过陶瓷管扩散到正极与硫反应。这时，接上负载就会有电流产生。

钠硫电池中两极的液相变化及化学反应如下：

放电初期，正极活性物质处在两液相区（金属钠和多硫化钠都处在液态），此时发生下述反应：

负极：2Na→2Na⁺+2e^-

正极：2Na⁺+5S+2e^-→Na₂S₅（L）

电池反应：2Na+5S=Na₂S₅（L）

电动势为：

此时，一个液相为含少量硫的Na₂S₅，另一相为含少量Na₂S₅的S，这样a_Na、a_S、aNa₂S₅均看成1，则E_r=E^Φ_r=2.08V，几乎恒定不变。(www.xing528.com)

在放电中期，多硫化钠中的硫耗尽后，其电极反应为

负极：2Na→2Na⁺+2e^-

正极：2Na⁺+4Na₂S₅+2e^-→5Na₂S₄（L）

电池反应：2Na+4Na₂S₅=5Na₂S₄（L）

电动势为：

由于Na₂S₅和Na₂S₄都在熔液L中，它们的浓度是变化的，因而和也是变化的。

在放电后期，多硫化钠熔液中Na₂S₅耗尽后，其电极反应是

负极：2Na→2Na⁺+2e^-

正极：2Na⁺+Na₂S₄+2e^-→2Na₂S₂（L）

电池反应：2Na+Na₂S₄=2Na₂S₂（L）

电动势为：

同样Na₂S₂和Na₂S₄都在熔液L中，Na₂S₄逐渐减小而Na₂S₂逐渐增多，其电动势呈下降趋势。

可以看出，放电时负极的钠逐渐消耗，正极形成多硫化物，体积和质量均增加。当放电超过一个点，进入两相平衡区，生成固态Na₂S₂，则会堵塞隔膜（β″—Al₂O₃），此时放电即终止。