Серно-натриевый аккумулятор. 
Токообразующие реакции, характеристики, устройство

Устройство аккумулятора. В настоящее время используется в основном цилиндрическая конструкция с электролитом в виде пробирки длиной 20−50, диаметром 1,5−3,5 см и толщиной стенки около 1 мм. Внутри пробирки находится один реагент, снаружи — второй. Чаще внутри пробирки находятся расплавленные сера и полисульфиды (рис. 64). Расплавленный натрий находится в зазоре между электролитом и внешним корпусом. Дополнительный запас натрия хранится в резервуаре под (или над) электролитом.

Так как ни сера, ни полисульфиды не имеют электронной проводимости, в камеру положительного, электрода помещают токоотвод в виде рыхлого графитового войлока; масса его составляет всего 3−10% массы реагентов. Этот войлок выполняется другую роль. При заряде на стадии, А сера образуется на поверхности электролита. Из-за отсутствия ионной проводимости (в отличие от полисульфидов) она может блокировать полисульфидный расплав и затруднять его дальнейший заряд. Графитовый войлок хорошо смачивается расплавленной серой, но не расплавом полисульфидов. Поэтому, располагая вблизи электролита крупнопористый, а на некотором расстоянии от него мелкопористый слой войлока, удается за счет капиллярных сил оттянуть серу от поверхности электролита и тем самым снизить блокирующий эффект. Этот прием позволяет существенно повысить заряжаемость серного электрода на стадии, А и повысить коэффициент использования серы до 80 и даже 90%.

В ходе разряда меняется объем реагентов: объем натрия непрерывно уменьшается по мере его расходования, а объем полисульфидного расплава увеличивается. По этой причине в полностью заряженном состоянии только около 60% полисульфидной камеры заполнено реагентами. Графитовый войлок за счет фитильного эффекта обеспечивает при этом контакт реагентов со всей поверхностью электролита. Натрий подается с помощью системы фитилей, хорошо смачивающихся расплавленным натрием (например, из нержавеющей стали). Такие фитили подводят натрий ко всей поверхности электролита, даже при малом остаточном его содержании в камере. Таким образом натрий может быть использован почти до конца (свыше 90%).

Сложен выбор материала для сосудов с расплавленными натрием и серой. Для натрия используют сосуды из нержавеющей стали, иногда покрытые изнутри слоями графита, вольфрама или других материалов. Токоотводом служит вольфрамовая проволока, погруженная в натриевый расплав. Серные и полисульфидные расплавы очень коррозионно-активны. Поэтому в последнее время в основном предлагаются конструкции аккумуляторов, в которых активные вещества положительного электрода не контактируют ни с какими материалами, кроме электролита, графитового токоотвода и графитового войлока.

Трудна герметизация аккумулятора, особенно на месте стыка твердого электролита с металлическими конструкционными элементами. В настоящее, время предложен ряд более или менее удовлетворительных вариантов решения этой проблемы. Из технологических соображений цилиндрическим конструкциям отдается предпочтение по сравнению с плоскими, в которых из-за изменения объемов реагентов при заряде и разряде могут возникнуть внутренние перепады давления, что приводит к прогибу и растрескиванию плоского электролита. В конструкции с плоскими электродами и электролитом значительно увеличивается длина зоны герметизации и герметизация затрудняется.

Батарея, состоящая из большого количества трубчатых аккумуляторов, должна быть защищена тепловой изоляцией. Предварительный разогрев батарей перед началом работы производится от внешнего источника энергии с помощью специальных встроенных электрических нагревателей. Если батарея достаточно велика, то при наличии теплоизоляции за счет тепловыделения при работе внутри батареи температура сохраняется в приемлемых пределах. Система теплоизоляции должна обеспечить достаточно медленное остывание после прекращения работы (например, не более 10 К/ч), что позволяет использовать батарею с кратковременными перерывами во время работы. Теплоизоляция изготавливается из легких материалов, поэтому наличие изоляции приводит к ухудшению характеристик в большей степени по объему, чем по массе.

Характеристики. Напряжение разомкнутой цепи серно-натриевого аккумулятора в пределах двухфазной жидкостной системы (стадия А) равно 2,08 В; в однофазной области (стадия Б) по мере разряда оно постепенно снижается до 1,76 В.

На разрядных и зарядных кривых при переходе от стадии, А к стадии Б наблюдается небольшая ступенька (рис. 65). Снижение напряжения аккумуляторов при увеличении плотности тока разряда обусловлено в основном омическим сопротивлением твердого электролита. При толщине 1−2 мм это сопротивление составляет 0,1−0,2 мОм-м². Поэтому аккумуляторы могут разряжаться при плотностях тока до 5 кА/м². Однако в последнее время с целью увеличения ресурса обычно ограничиваются плотностями тока до 1 кА/м².

Удельные характеристики зависят от отношения запаса реагентов к массе электролита и конструкционных деталей аккумулятора. Если запас увеличивается, удельная энергия растет, а удельная мощность падает. Наоборот, при малом относительном запасе (например, при использовании большого количества более мелких трубок) удельная мощность увеличивается, но энергия уменьшается. В ближайшие годы можно ожидать появления отдельных элементов с удельной энергией 150−200 Вт-ч/кг, или 250−350 кВт-ч/м³, и батэрей (с учетом термоизоляции) с энергией 100−150 Вт-ч/кг, или 70−100 кВт-ч/м ³, при ^=0,2-s-0,5.

Ресурс серно-натриевых аккумуляторов составляет в настоящее время несколько сотен (в отдельных случаях до двух тысяч) зарядно-разрядных циклов. После улучшения стабильности электролита основными факторами, влияющими на ресурс, стали коррозия сосуда с серным расплавом (при расположении расплава вне электролитной пробирки), а также усиливающаяся при циклировании частичная блокировка полисульфида прослойками серы вблизи поверхности электролита. В результате емкость серного электрода постепенно снижается. Лучше в этом отношении «тонкие» серные электроды с толщиной прослойки для серного расплава не более 5 мм.

До начала широкого практического использования серно-натриевых аккумуляторов необходимо еще решить ряд научных и технологических задач. Однако, учитывая, что с момента проведения первых работ прошло еще немного времени, можно ожидать, что дальнейшие работы в этой области позволят преодолеть многие трудности и улучшить достигнутые показатели.