O baterie cu sare topită (numită și „baterie cu sare topită”, „baterie termică”) este o baterie care folosește sare topită ca electrolit . Astfel de baterii oferă atât densitate mare de energie, cât și densitate mare de putere. Bateriile termice convenționale nereîncărcabile pot fi stocate în stare solidă la temperatura camerei pentru o perioadă lungă de timp înainte de a fi activate de căldură. Bateriile reîncărcabile metalice lichide sunt folosite pentru energie de rezervă industrială, vehicule electrice și pentru stocarea în rețea, pentru a echilibra sursele de energie regenerabilă intermitentă, cum ar fi panourile solare și turbinele eoliene .
Bateriile termice au apărut în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, când omul de știință german Georg Otto Erb a dezvoltat primele celule folosind un amestec de săruri ca electrolit. Erb a dezvoltat baterii pentru aplicații militare, inclusiv rachetele V-1 și V-2 . Niciuna dintre aceste baterii nu a fost folosită pe teren în timpul războiului. După sfârșitul celui de-al Doilea Război Mondial, tehnologia lui Erb a fost transferată Diviziei de Dezvoltare a Articolelor din SUA a Biroului Național de Standarde . [1] În Statele Unite, în 1946, a fost adoptat imediat pentru a înlocui sistemele problematice pe bază de lichide utilizate anterior pentru alimentarea siguranțelor de proximitate ale artileriei. Tehnologia lui Erb a fost folosită pentru muniții (cum ar fi siguranțe de proximitate ) și mai târziu în arme nucleare . De asemenea, tehnologia a fost studiată de cercetători în anii 1980 pentru utilizarea în vehicule electrice. [2]
Un studiu din 2021 a raportat o performanță stabilă a celulei la 110°C timp de 400 de cicluri. Celula a fost operată la o tensiune de 3,6 volți. Sodiu metalic lichid a trecut printr-un separator ceramic, ajungând la un amestec de iodură de sodiu lichidă și clorură de galiu, numit catolit. Prețul ridicat al clorurii de galiu era de așteptat să țină acest design în afara utilizării comerciale. [3]
De la mijlocul anilor 1960, s-au făcut multe lucrări de dezvoltare asupra bateriilor reîncărcabile folosind sodiu (Na) ca electrozi negativi. Sodiul este atractiv datorită potențialului său ridicat de reducere de -2,71 volți, greutății ușoare, disponibilității relative și costului scăzut. Pentru a crea baterii practice, sodiul trebuie să fie sub formă lichidă. Punctul de topire al sodiului este de 98 °C (208 °F). Aceasta înseamnă că bateriile pe bază de sodiu funcționează la 245 până la 350 ° C (470 până la 660 ° F). [4] Studiile au examinat combinații de metale la temperaturi de funcționare de 200 °C (390 °F) și temperatura camerei. [5]
Articolul principal: baterie cu sodiu-sulf
Bateria cu sodiu-sulf (bateria NaS) folosește materiale pentru electrozi ieftine și disponibile pe scară largă împreună cu bateria cu litiu-sulf. A fost prima baterie industrială din metal alcalin. A folosit sulf lichid pentru electrodul pozitiv și un tub ceramic cu electrolit solid de beta-alumină (BASE). Problema a fost coroziunea izolatoarelor, deoarece acestea au devenit treptat conductoare, iar rata de autodescărcare a crescut.
Datorită densității lor mari de putere, bateriile NaS au fost propuse pentru aplicații spațiale. [6] [7] Bateria NaS a fost testată cu succes în misiunea navetei spațiale STS-87 în 1997, dar nu a intrat în producția de masă. Bateriile NaS au fost propuse pentru utilizare în mediul cu temperatură ridicată din Venus. [opt]
Un consorțiu format din TEPCO (Tokyo Electric Power Co.) și NGK (NGK Insulators Ltd.) și-a declarat interesul pentru cercetarea bateriei NaS în 1983 și de atunci a fost principala forță motrice din spatele dezvoltării acestui tip. TEPCO a ales bateria NaS deoarece toate elementele sale constitutive (sodiu, sulf și ceramică) sunt utilizate pe scară largă în Japonia. Primele teste pe teren la scară largă au fost efectuate la substația TEPCO Tsunashima între 1993 și 1996 folosind baterii de 3×2 MW, 6,6 kV. Pe baza rezultatelor acestui test, modulele de baterie îmbunătățite au fost dezvoltate și comercializate în 2000. Pachetul comercial de baterii NaS oferă:
O versiune de temperatură scăzută [9] a bateriilor cu sare topită a fost dezvoltată în 1985 pentru bateriile ZEBRA (inițial Zeolite Battery Research in Africa; mai târziu Zero Emission Battery Research) dezvoltată inițial pentru vehiculele electrice [10] [11] . Bateria folosește NaAlCl 4 cu un electrolit ceramic de Na + -beta alumină Na - NiCl. [12]
Bateria funcționează la 245 ° C și folosește ca electrolit tetracloroaluminat de sodiu topit (NaAlCl), care are un punct de topire de 157 ° C. Electrodul negativ este sodiu topit. Electrodul pozitiv este nichel în stare descărcată și clorură de nichel în stare încărcată. Deoarece nichelul și clorura de nichel sunt aproape insolubile în topituri neutre și bazice, contactul este permis pentru a oferi o rezistență redusă la transferul de sarcină. Deoarece atât NaAlCl, cât și Na sunt lichide la temperatura de funcționare, ceramica β-alumină conducătoare de sodiu este utilizată pentru a separa sodiul lichid de NaAlCl topit .
Celulele primare utilizate la fabricarea acestor baterii au un inventar global și o producție anuală mult mai mare decât litiul. [13]
Profesorul Donald Sadoway de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a fost pionier în cercetarea bateriilor de stocare cu metal lichid folosind atât magneziu-antimoniu, cât și plumb-antimoniu. Straturile de electrod și electroliți sunt încălzite până când devin lichide și se separă din cauza densității și nemiscibilității. Astfel de baterii pot avea o durată de viață mai mare decât bateriile convenționale deoarece electrozii trec printr-un ciclu de creare și distrugere în timpul ciclului de încărcare-descărcare, făcându-i imuni la degradarea care afectează electrozii bateriilor convenționale. [paisprezece]
Tehnologia a fost propusă în 2009 bazată pe separarea magneziului și a antimoniului cu sare topită. Magneziul a fost ales ca electrod negativ datorită costului său scăzut și solubilității scăzute în electrolitul de sare topită. Antimoniul a fost ales ca electrod pozitiv datorită costului său scăzut și a tensiunii de descărcare așteptate mai mari. [15] [16]
Bateriile termice nereîncărcabile utilizează un electrolit care este solid și inactiv la temperatura ambiantă. Aceste baterii pot fi stocate pentru o perioadă lungă de timp (peste 50 de ani), dar oferă totuși puterea maximă ori de câte ori este nevoie. Odată activate, acestea oferă o explozie de putere mare pentru o perioadă scurtă de timp (de la câteva zeci de secunde la 60 de minute sau mai mult) cu puteri de ieșire variind de la wați la kilowați. Puterea mare se datorează conductivității ionice ridicate a sării topite (rezultând o rezistență internă scăzută), care este cu trei ordine de mărime (sau mai mult) mai mare decât cea a acidului sulfuric dintr-o baterie de mașină cu plumb-acid.
Pentru a iniția o reacție electrochimică, un model folosește o bandă fuzibilă (conținând cromat de bariu și zirconiu metal sub formă de pulbere în hârtie ceramică) de-a lungul marginii peletelor de încălzire. Banda este de obicei pornită cu un aprindere electric sau un squib, care este activat de curent electric.
Un alt design folosește o gaură centrală în mijlocul bateriei în care un aprinzător electric de înaltă energie lansează un amestec de gaze fierbinți și particule incandescente. Acest lucru poate reduce semnificativ timpul de activare (zeci de milisecunde) în comparație cu sute de milisecunde pentru designul benzii de margine. Activarea bateriei se poate face cu un capac de percuție similar cu o carcasă de pușcă. Sursa de căldură trebuie să fie fără gaz. O sursă de căldură standard constă de obicei din amestecuri de pulbere de fier și perclorat de potasiu în raporturi de greutate de 88/12, 86/14 sau 84/16. [17] Cu cât nivelul de perclorat de potasiu este mai mare, cu atât debitul termic este mai mare (în mod nominal 200, 259 și, respectiv, 297 cal/g). Această proprietate de stocare în stare neactivată are dublu beneficiu de a preveni deteriorarea materialelor active în timpul depozitării și de a evita pierderea capacității din cauza autodescărcării până la activarea bateriei.
În anii 1980, anozii din aliaj de litiu au înlocuit anozii de calciu sau magneziu. Catozii sunt fabricați din cromat de calciu, oxizi de vanadiu sau tungsten. Aliajele litiu-siliciu sunt preferate față de aliajele anterioare litiu-aluminiu. Catodul utilizat cu anozii din aliaj de litiu este în principal disulfură de fier (pirită) sau disulfură de cobalt pentru bateriile de mare putere. Electrolitul este de obicei un amestec eutectic de clorură de litiu și clorură de potasiu.
Mai recent, alți electroliți eutectici cu punct de topire scăzut pe bază de bromură de litiu, bromură de potasiu și clorură de litiu sau fluorură de litiu au fost, de asemenea, utilizați pentru a asigura o durată de viață mai lungă; sunt și cei mai buni dirijori. Așa-numitul electrolit „tot-litiu” pe bază de clorură de litiu, bromură de litiu și fluorură de litiu (fără săruri de potasiu) este, de asemenea, utilizat pentru bateriile de mare putere datorită conductivității ionice ridicate. Termogeneratorul cu radioizotopi, de exemplu, sub formă de 90 de tablete SrTiO 4 , poate fi folosit pentru a furniza căldură bateriei pentru o lungă perioadă de timp după activare, menținând-o în stare topită. [optsprezece]
Bateriile termice sunt folosite aproape exclusiv în scopuri militare, în principal pentru arme nucleare și rachete ghidate.Sunt principala sursă de energie pentru multe rachete precum AIM-9 Sidewinder , AIM-54 Phoenix , MIM-104 Patriot , BGM-71 TOW , BGM . -109 Tomahawk și alții. În aceste baterii, electrolitul este imobilizat atunci când este topit de oxidul de magneziu, care îl menține pe loc prin acțiune capilară. Acest amestec de pulbere este presat în pelete pentru a forma un distanțier între anodul și catodul fiecărei celule dintr-o baterie. Atâta timp cât electrolitul (sarea) este solid, bateria este inertă și rămâne inactivă. Fiecare celulă conține, de asemenea, o sursă de căldură pirotehnică care este utilizată pentru a încălzi celula la o temperatură tipică de funcționare de 400-550°C.