許多電動汽車（EV）是由可充電鋰離子電池提供動力的，但隨著時間的推移，它們可能會失去能量和動力。在某些情況下，這種電池在工作或充電時也會過熱，這也會降低電池壽命，減少每次充電的里程數。

為了解決這些問題，諾丁漢大學正在與中國的六家科研機構合作，開發一種具有固體氧化物燃料電池和金屬-空氣電池綜合性能優勢的創新型廉價能源庫。這種新型電池可以大大擴展電動汽車的使用范圍，同時具有完全可回收、環保、低成本和安全的特點。

固體氧化物燃料電池通過化學反應將氫和氧轉化為電。雖然它們從燃料中提取能量效率高、耐用、成本低、生產更環保，但它們是不可再充電的。同時，金屬空氣電池是一種電化學電池，它使用廉價的金屬如鐵和空氣中的氧氣來發電。在充電過程中，它們只向大氣中釋放氧氣。雖然不太耐用，這些高能量密度的電池是可充電的，可以像鋰離子電池一樣儲存和放電，但更安全、更便宜。

在早期的研究階段，研究小組探索了一種高溫鐵-空氣電池的設計，這種電池使用熔鹽作為一種電解質，通過加熱來激活導電性。廉價和易燃的熔鹽有助于給電池留下深刻的能量儲存和電力能力和漫長的生命周期。

然而，熔鹽也具有不利的特性。諾丁漢大學研究負責人喬治·陳教授說：“在極熱條件下，熔鹽會具有侵蝕性、揮發性和蒸發或泄漏，這對電池設計的安全性和穩定性提出了挑戰。迫切需要對這些電解液特性進行微調，以提高電池性能，并使其能夠在未來的電力運輸中使用。”

目前，研究人員已經成功地改進了這項技術，使用固體氧化物納米粉體，將熔鹽轉變為軟固體鹽。領導這一合作項目的中國科學院上海應用物理研究所王建強教授預測，這種準固態（QSS）電解液適用于在800℃下工作的金屬空氣電池；因為它抑制了在如此高的工作溫度下可能發生的熔鹽的蒸發和流動性。

項目合作者，來自中國科學院上海應用物理研究所的程鵬博士，解釋了這項實驗研究的獨特和有用的設計方面。準凝固是利用納米技術來構建一個由固體氧化物顆粒組成的柔性連接網絡來實現的，這些固體氧化物顆粒起到了鎖定熔鹽電解質的結構屏障的作用，同時仍然允許它們在極熱下安全導電。

領導諾丁漢熔鹽電解實驗室的陳教授希望，該團隊的“令人鼓舞的成果”將有助于建立一種更簡單、更有效的方法，設計出低成本、高性能、高穩定性和安全性的熔鹽金屬空氣電池。

他補充道：“經過改進的熔鹽鐵氧電池在新市場有著巨大的潛在應用，包括電力運輸和可再生能源，這需要在我們的家庭和電網層面上提供創新的存儲解決方案。原則上，這種電池還能夠儲存太陽能和電能，這對于家庭和工業能源的需求都是非常理想的。目前，熔鹽在西班牙和中國被大規模用于收集和儲存太陽能，然后將太陽能轉化為電能我們的熔鹽金屬空氣電池在一個設備中完成兩項工作。”

全文“用于可充電高溫熔鹽鐵空氣電池的準固態電解質”概述了這一結果，發表在《儲能材料》雜志上。

什么是熔鹽電池？

熔融鹽電池是一類使用熔融鹽作為電解質的電池，具有高能量密度和高功率密度。傳統的非充電式熱電池在通過加熱激活之前，可以在室溫下長時間固態保存。液態金屬可充電電池用于工業備用電源，特殊電動汽車和電網儲能，以平衡間歇性可再生能源，例如太陽能電池板和風力渦輪機。

熔鹽電池的優點

熔鹽電池與固態電池相比有幾個固有的優點。由于部分（或液態金屬電池的全部）組件是液態的，因此在大規模應用中，電池具有更高的電流密度、更長的循環壽命和簡化的制造方案。由于不涉及膜或分離器系統，循環壽命更高，能源效率可保持較長時間。電網規模的儲能公司Ambri此前曾表示，鉛銻和鋰液態金屬電池在10年的日常充放電循環中應能保持85%的初始效率。由于電池本質上是一個包含3個液相的容器，所以結構非常簡單，只需將較重的金屬倒入底部，將電解液倒入中間，將較輕的電極倒入底部頂部。頂部這種設計的主要缺點是需要較高的工作溫度來保持部件處于液態。然而，在電網規模的應用中，利用充電和放電循環中產生的熱量可以很容易地維持這些升高的溫度。

熔鹽電池的歷史

實際上，最初的熔融鹽電池根本不打算長時間工作，而是用作炸彈和火箭的單激活一次電池。由德國第二次世界大戰時期的科學家喬治·奧托·埃爾布（GeorgOttoErb）發明的首批實用電池被稱為熱電池，盡管在戰爭期間從未使用過，但美國軍械發展司最終將獲得該技術并將其用于火箭，炸彈甚至是動力。核。這些早期的電池可以在固態狀態下無限期（超過50年），同時提供巨大的電量。如今，熱電池仍被用作AIM-9響尾蛇，BGM-109戰斧和MIM-104愛國者等的主要動力來源。

1966年，福特汽車公司發明了用于電動汽車的鈉硫（NaS）液態金屬電池。高功率密度和高能量容量看起來很有希望，但是290-390°C的高工作溫度導致福特放棄了研發。1983年，東京電力公司（TEPCO）和NipponGaishiKaisha（NGK）意識到了NaS電池系統作為電網存儲解決方案的潛力，并開始研究和開發該技術。1993年，這種系統的第一個大規模原型在東京電力公司的Tsunashima變電站進行了現場測試。該系統由三個2MW，6.6KV電池組組成。這為NGK/TEPCO聯盟當前的網格存儲NaS電池系列奠定了基礎，后者每年可產生90兆瓦的存儲容量。

同時，1985年，在南非比勒陀利亞，由科學和工業研究委員會的JohanCoetzer博士領導的非洲沸石電池研究項目（ZEBRA）發明了首個氯化鈉鎳電池。它的比能為90Wh/kg，是一種非常穩定的β氧化鋁固體電解質，并且比NaS具有更高的耐腐蝕性。這種設計雖然新穎，但尚未見到大規模的商業網格存儲應用，并且仍然是電池研究與開發的熱門話題。但是，它們已由FIAMMSonick部署并用于ModecElectricVan。

不同類型的熔鹽電池

熱（非充電）電池

用于為火箭和提供動力的熱電池是一次電池，旨在在短時間內（從幾秒鐘到一個多小時不等）提供高功率。通常有兩種類型的設計。第一種方法是使用炸藥條，該炸藥條由鋯金屬粉末和鉻酸鋇在陶瓷紙中沿熱丸的邊緣點燃，以點燃燃燒過程。引信條由施加電流的引爆管點燃。第二個是在電池堆中央的孔，當電觸發點火時，該孔會充滿白熾燈顆粒和熱氣體的混合物。該過程更快，大約為幾十毫秒，而引信帶設計則為數百毫秒。當今的熱電池利用由二硫化鐵或二硫化鈷與鋰硅或鋰鋁合金構成的陰極。但是，較早的化學方法使用鎂或鈣陽極，鉻酸鈣，氧化鎢或釩陰極。所有這些設計都使用了熔融鹽電解質層，通常由氯化鋰和氯化鉀組成。共晶電解質也已經使用溴化鋰，并且溴化鉀也已經被用來增加循環壽命。

鈉硫電池

鈉硫（NaS）電池由廉價且豐富的材料制成。典型的設計包括在陽極和陰極之間的固體電解質膜，該膜被裝入裝有鉻和鉬內部保護的鋼制圓筒中。電池中心的熔融鈉充當陽極，向外部電路提供電子。鈉芯包裹在β-氧化鋁固體電解質（BASE）圓柱體中，該圓柱體有助于Na+離子向外部硫電極（作為陰極）移動，同時防止兩個電極短路。NGK目前經營著一系列成功的網格存儲NaS電池，并且被認為是服務于北美，亞洲和歐洲的全球最大的網格規模電池供應商。

氯化鈉鎳電池

氯化鈉鎳（Na-NiCl2）電池也使用熔融的鈉芯，但在放電狀態下使用鎳作為正極，在充電狀態下使用氯化鎳。兩種形式的鎳電極均不溶于其液態，并且將鈉導電的β氧化鋁陶瓷用作隔膜。代替NaS電池中存在的純元素鈉，四氯鋁酸鹽（NaAlCl4）核是優選的。Na-NiCl2電池有時也稱為鈉金屬鹵化物電池，除了具有較長的使用壽命，在放電狀態下組裝的能力以及比NaS更安全的化學性質外，還具有優勢。Na-NiCl2電池的正常工作溫度范圍是270-350°C，但是有一家公司住友化學能夠使用鹽在61°C的溫度下融化并在90°C的溫度下運行開發出類似的化學反應。他們最初計劃在2015年下半年進行商業試用，因此只有時間能證明它們在市場上的運作方式。

液態金屬電池

液態金屬電池是設計用于電網存儲應用的新型熔融鹽電池。液態金屬電池是由麻省理工學院（MIT）材料教授DonaldSadoway于2009年首次提出的，它由一個底部裝有熔融銻陰極的集電容器，中間層的鹽電解質和液態鎂組成頂部為金屬陽極。鎂由于其低成本和對熔融鹽電解質的低溶解性而被最初選擇，但較高的工作溫度為700°C促使他在2011年將化學方法轉換為鋰基陽極。較高的工作溫度是不受歡迎的，因為它導致較高的溫度。腐蝕速率，降低總存儲效率并增加電池壽命內的成本。

液態金屬電池

Sadoway的液態金屬電池因其材料成本低和能源效率高而特別適合電網存儲應用。目前，銻（Sb）的價格為每摩爾1.23美元，當與堿土負極一起使用時，會產生較高的電池電壓。當與鋰（Li）電極耦合時，液態金屬化學物質在200mA/cm2恒電流放電條件下測得的平均電池電壓為0.92V。Li在極低的180°C溫度下熔化，與鹵化鋰鹽的溶解度低，從而降低了自放電的可能性。與替代的基于鈉（Na）的熔融電池化學工藝相比，它在能源效率方面擁有優勢。

液態金屬電池如何工作？

盡管目前尚無關于Ambri當前的Li和Sb-Pb的信息，但Sadoway已公開證實其與他最初的鎂銻化學（Mg||Sb）相似。在最初的2012年設計中，負極Mg電極和正極Sb電極由分子式為MgCl2-KCl-NaCl的熔融鹽電解質隔開。密度差異形成陽極，電解質和陰極的三個不同層。放電時，Mg發生氧化反應，生成Mg2+，該Mg2+溶于電解質和2個自由電子，這些電子釋放到外部電路中。Mg2+陽離子同時還原為Mg，并沉積到Sb陰極中，在那里它們結合在一起形成Mg-Sb液態金屬合金。在充電過程中，會發生相反的情況，電流驅動Mg-Sb合金中的Mg并以液態Mg的形式返回到頂部負極。液體電極的這種膨脹和收縮是液體金屬電池所獨有的，并且允許電極在每個充電和放電循環中有效地再生，從而有效地增加了電池的壽命。

電網儲能和熔鹽電池的未來

DonaldSadoway的Ambri，NGK和Sumitomo等公司正在繼續推動熔融鹽化學領域的發展，因為投資者和整個能源行業開始認識到更好的電池對于電網規模儲能的重要性。Ambri計劃向阿拉斯加的一個試點電網，夏威夷的風力和太陽能發電廠以及曼哈頓的一個變電站運送6噸10噸的原型。NGK和三菱電機公司正在為九州電力公司建設一個50,000千瓦的電池系統，以支持日本國家改用太陽能的倡議。在麻省理工學院最近發表的題為《太陽能的未來》的2015年出版物中，人們發現當今人類從各種能源中消耗15兆瓦的電能。該報告還顯示，太陽能技術已經達到人類需要利用太陽能并滿足這種能源需求的地步。在德國，意大利和西班牙，太陽能已經實現了電網平價，德國率先使用太陽能發電，占其發電量的45％。顯而易見的是，儲能是世界充分獲得可再生能源優勢的最后難題。與用于更好的可再生能源技術上的資金相比，用于電網規模的儲能方面的投資將具有更大的分量。顯而易見的是，儲能是世界充分獲得可再生能源優勢的最后難題。與用于更好的可再生能源技術上的資金相比，用于電網規模的儲能方面的投資將具有更大的分量。顯而易見的是，儲能是世界充分獲得可再生能源優勢的最后難題。與用于更好的可再生能源技術上的資金相比，用于電網規模的儲能方面的投資將具有更大的分量。