钠硫电池的技术性能和特点

（1）钠硫电池的技术性能参数

国产的某典型钠硫电池的主要技术性能参数见表3-6。

表3-6 某国产钠硫电池的技术性能参数

（续）

（2）钠硫电池的充放电特性

钠硫电池的外壳常用不锈钢、铝材或者特殊的防腐镀铬低碳钢等材料制造。负极活性物质是熔融的Na，熔点98℃；正极活性物质是熔融的硫（S），熔点119℃。硫的电阻很大，必须在熔融硫中加入惰性导电材料，改善其导电性能。同时，可以在硫电极中添加少量的硒、硼或四氰基乙烯C₆N₄，以提高硫的利用率。以添加0.8%克分子的C₆N₄最好。电解质采用β—氧化铝，是一种离子导电的固体电解质，化学式为Na₂O·11Al₂O₃。目前已有性能更为优良的β″—氧化铝投入使用。β—氧化铝不同于一般的固体电解质，其熔点为1950～2000℃，在远低于其熔点的300～400℃时，就有相当大的离子导电度。它是中温型粒子固体电解质，这是其他固体电解质所没有的特点。而在电解质陶瓷中加入MgO能够显著改善电池性能。

在不同的工作状态下钠硫电池可表示为原电池

Na|βAl₂O₃|Na₂S_y，S，C （1）

Na|βAl₂O₃|Na₂S_x，C （2）

电池（1）的硫极成分处于Na—S系统的两液相区内，在给定温度下，两相的钠硫比各为恒定值，不随钠硫比改变，测定的两液相区的富钠液相成分与稳定开路电压值如表3-7所示。

表3-7 两液相区的富钠液相成分与稳定开路电压

电池（2）的硫极熔体为单相，开路电压随钠硫比增加和温度上升而降低，如图3-13所示。钠硫电池的工作温度一般选择在300～400℃之间，在正常情况下，电池内阻主要来自电解质的欧姆极化和硫极极化，但如果熔融钠未能良好地润湿固体电解质的表面时，将出现较大的钠极电阻。

图3-14中列出典型的充放电电流—电压曲线的例子。在定电流放电初期，钠组分开始进去硫极后，熔体电导增加，电池内阻明显降低，出现放电电压上升阶段，随后是放电平坦阶段，继续放电则放电电压趋于下降，引起电压下降的因素包括钠硫比进去单相区后开路电压降低和硫极极化的影响。此外放电电流密度和温度也将改变曲线形状。

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图3-13 各种钠硫比的开路电压

充电时的电压曲线是放电的逆过程，在充电时候的较长时间内电压逐渐缓慢上升，该上升过程是与电池开路电压上升、六级极化电压增高和电导下降相联系的。充电末期，由于硫极区内的载流钠离子浓度大大减少，极限电流变小，一极电极表面出现绝缘钠硫层时，内阻大大增加，使得充电电压急剧上升，可以认为是充电终止点已经到来。此时，在硫极内常常会保留一部分不可充回的钠离子。良好的硫极设计可使可充回率达到90%～95%。

图3-14 典型的钠硫电池的充放电曲线

（3）钠硫电池的特点

钠硫电池具有许多优势是其他电池难以比拟的：

1）比容量和比功率高：钠硫电池的理论比容量（即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量）为760Wh/kg，目前实际制造技术水平条件下已经达到300Wh/kg以上，是铅酸电池的3～4倍，比功率可达到230W/kg，比钒电池高出许多，但比锂离子及镍氢等动力电池要低。

2）可大电流、高功率放电：其放电电流密度一般可达200～300mA/cm²，并瞬时间可放出其3倍的固有能量。

3）充放电效率高：由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率达到90%。

4）大容量，结构紧凑：单体电池，串并联即成为不同容量的模块，空间和重量是铅酸电池的1/4～1/3。

5）长寿命性：4500次循环，使用寿命长达15年。

6）环境友好：全密封，无污染释放，无振动，无噪声。

同时钠硫电池也存在以下一些不足之处：

1）安全问题：钠硫电池仅在达到320℃左右的温度，即仅当钠和硫都处于液态的高温下才能运行。而如果陶瓷电介质一旦破损形成短路，高温的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应。这种反应虽然不会产生气体发生爆炸，但会产生高达2000℃的高温，相当危险。过度充电时也很危险。

2）保温与耗能问题：在高温下运行的另一个问题是保温耗能的问题。钠硫电池在300℃下才能启动，电池工作时需要一定的加热保温，因此需要附加供热设备来维持温度等。