盐电池：防火电池

Josiah02

1997 年，梅赛德斯-奔驰 A 级轿车在麋鹿测试中出弯时发生了一起著名的事故。这起臭名昭著的事故原因之一是：这款车最初设计为电动汽车。改用内燃机后，就不用使用笨重的电池，导致重心过度上移。
A 级车上应该安装的电池是所谓的盐电池。与大多数其他电池不同，盐电池中的电解质是固体，即基于铝氧化钠的陶瓷离子导体，而其他大多数电池的阴极和阳极都浸没在共用的液体电解质池中。
固体电解质不易燃，可使阳极和阴极分离，从而延长电池的使用寿命。盐电池的阴极基于普通盐和镍粉的颗粒；钠金属阳极仅在充电过程中形成。
对于电动汽车而言，这种电池技术尚未被证明是最好的解决方案。如今的电动汽车使用锂离子电池，这种电池更轻，充电速度更快。然而，对于其他应用而言，盐电池优于锂离子电池。因此，它们是 Empa 等机构正在进行的研究的主题。
安全耐用
这项研究合作始于 2016 年，当时总部位于提契诺州的盐电池制造商 HORIEN Salt Battery Solutions（前身为 FZSoNick）与 Empa 接洽。作为 Innosuisse 项目的一部分，该公司希望改进其电池单元中由铝氧化钠（也称为 β-氧化铝）组成的陶瓷电解质。这导致了关于盐电池的电池几何形状和电化学的进一步项目，因为它与其他类型的电池有很大不同。
“用于研究目的的盐电池的组装非常复杂，而且几乎没有关于其确切作用机制的研究。这就是这些项目对我们来说如此有趣的原因：我们可以学到很多东西，并与我们的工业合作伙伴一起加深我们的理解，”Empa 研究员 Meike Heinz 说，他来自由 Corsin Battaglia 领导的能源转换材料实验室。
这种不同的电池结构使盐电池比锂离子电池具有一些优势，例如在安全性方面。尽管盐电池需要约 300°C 的工作温度，但它们既不会燃烧也不会爆炸。这就是为什么它们也用于锂离子电池甚至不允许使用的地方，例如采矿和隧道建设以及海上石油和天然气生产平台。
由于盐电池的工作温度较高，因此与锂离子电池相比，盐电池对温度的敏感度也低得多。这使得它们成为关键基础设施（如手机天线）的理想应急电源存储系统。即使在偏远和暴露的地方，长寿命且免维护的盐电池也能可靠地工作数十年。
然而，工作温度也是这种电池技术的一大劣势：盐电池需要主动加热​​才能使用。需要电力的电池怎么会具有成本效益呢？
Heinz 解释道：“根据具体应用，保持电池温暖比冷却更有效。” Empa 研究员 Enea Svaluto-Ferro 补充道：“由于电池的电阻，充电和放电过程中会产生热量。在最佳系统中，大型电池可以自行加热。”
未来的细胞化学
作为材料科学家，Heinz 和她的团队专注于电池化学。盐电池的大部分原材料价格低廉，且供应充足。电池的结构也使其易于回收。
然而，由于阴极材料镍越来越被列为关键材料，HORIEN 和 Empa 着手降低电池中的镍含量，这是 HiPerSoNick 项目的一部分。这并非易事，因为必须非常精确地协调电池的成分和微观结构，以确保盐电池高效且持久。
作为欧盟 SOLSTICE 项目的一部分，该项目将持续到 2025 年中期，HORIEN 和 Empa 与其他项目合作伙伴正在研究熔盐电池中的镍是否可以完全被锌取代。Heinz 说：“在目前的运行温度下，锌的低熔点是一个挑战。”尽管如此，研究人员已经找到了稳定阴极微结构的有希望的方法。
Empa 团队正在计划更多后续项目，以进一步改进和扩大无镍盐电池的规模。毕竟，盐电池的安全性、使用寿命长以及避免使用关键原材料，使其成为固定储能的理想选择。如果盐电池能够以低成本大批量生产，那么它们有朝一日不仅可以为手机天线供电，还可以为整个住宅区供电。