Вторият тип батерия, която започва да се използва за съхраняване на енергия в широкомащабни системи е т.нар натрий-сяра система, която работи при температури от 300 до 350 °С. Електрохимичното описание на тази система е Na/NaxS. Тези батерии се различават от обикновените системи, с които повечето хора са свикнали като основната разлика е че електродите са течни, вместо твърди вещества, а електролита е твърда керамика с йонна проводимост за натриевия йон, NaAl11O17, наречена "бета алуминий". Т.е. Течност/Твърдо/Течност, а не по конвенционалнaта твърдо/течно/твърдо конфигурация. Керамичният материал е открит от Yao и Kummer и има забележителна проводимост на Na+ при работна температура, в резултат на съпротивление от само 4 Ω cm при 350 °С.
В началото на техническото развитие на системата сяра-натрий започва в лабораторията на Ford Motor Company и бе отговор на първите петролни кризи през 1973 година. Идеята беше да се направят електрическите пътни превозни средства по-конкурентоспособни удължавайки пробега им.
Ранните работи както в USA и Европа на този тип клетки е насочена към потенциалната му възможност да се използва за задвижване на превозните средства. В този случай, безопасността е особено важна, и обширни изпитания по отношение на използването на тези клетки в превозните средства при ПТП условия се извършва в Европа през 1990-те години. Резултатите са обезкуражаващи и всички тези програми за развитие са били прекратени. От друга страна, дейностите в Япония са насочени към друго приложение - съхранение на мрежово захранване, където те могат да бъдат в защитна среда, така че проблемите със сигурността да бъдат сведени до минимум. Голям напредък постигат консорциум от NGK Insulators и Tokyo Power (TEPCO) през 1983 г. и след обширно мащабно тестване, тази технология се предлага на пазара през 2000 година.Принципна схема на такава батерия е показана на фигура 1.
Fig.1 Схематично изображение на клетка Na/NaxS
Натрия от отрицателния електрод преминава през заобикалящия бета алуминиев окис (електролит), и взаимодейства с течения разтвор на натрий в сяра. Капацитетът се определя от обхвата на този състав, течна фаза натрий-сяра, както е показано на фиг. 2. Течния NaxS,
който не е добър електронен проводник, се съдържа в порест въглерод - "гъба." Напрежението в клетката е малко над 2 V, както може да се види на фиг. 3.
Фигура 2. Част от фазова диаграма Натрий-Сяра
Фиг. 3. Напрежение vs чист Натрий като функция от състава
Големи индивидуални клетки се затворят в стоманени обвивки като се обезопасяват по този начин, след което могат да бъдат подредени успоредно или паралелно, в зависимост от изискваното напрежение или мощност. Системи с мощност до 6 MW и 6.6 кV се използват в Япония. Съоражения по тази технология се инсталират в USA, в момента до 1 MW размер.
Потенциалът на натрия е постоянен, докато потенциалът на положителния електрод се променя тъй като концентрацията на натрий варира в зависимост от неговия пренос през клетката.
Батериите Сяра-Натрий и Никелов хлорид-Натрий са много подобни една с друга. И двете използват b-алуминиев оксид, който едновременно действа като твърд електролит и сепаратор. b-Alumina е съединение, състоящо се от алуминиев оксид и натрий. Техните моларни съотношения (Na2O:Al2O3) може да варира между 1:1 и 1:11. b-Alumina има вид на неглазирана керамика. При температури от около 300 °С, се постига достатъчно висока мобилност на натриевия йон. Клетки, произведени от ABB (Германия) имат капацитет от 40 Ah на клетка. Другият производител (пионер) Chlorid прави малки клетки от само 10 Ah на клетка и съответно с
по-голям брой клетки в батерията.
Сепараторът b-алуминиев окис, която едновременно е електролит, образува цилиндрична чаша. В рамките на тази чаша, се намира натрия. Той е активното вещество на отрицателния електрод, който се стапя при работната температура. Пространството между b-алуминиев окис и външната страна на корпуса е със сяра, която е течна при тази температура. Сярата се смесва с графит за да се опроводи, тъй като не провежда електрически ток. В b-алуминиев окис, има цилиндър от неръждаема стомана с малка дупка на дъното. Този "обезопасител" предотвратява неконтролируемото нагряване в случай, че са се образували пукнатини в керамичния сепаратор при което натрия и сярата могат да влязат в директен контакт (вътрешно късо съединение). Малкия отвор в дъното ограничава потока на натрий. По този начин скоростта на реакцията, както и генерирането на топлинна енергия са ограничени, а диаметърът на отвора на обезопасителя е проектиран да е достатъчно малък така, че да се отвеждане безопасно топлината при възможно вътрешно късо съединение. Обезопасителя едновременно действа и като токовод.
Когато клетката се разрежда, натриевите йони мигрират през b-алуминиевия окис и образуват NaSx съединения с увеличаващо се съдържанието на сяра в съответствие с последователността на реакциите, дадени в таблица (20).
Според тази последователност, равновесното напрежението леко намалява с напредване на разряда. Типични заряд-разрядни криви са показани на фигура 4. Тъй като няма вторични реакции, рязкото покачване на напрежението на заряд показва, че състоянието на пълно зареждане е достигнато. По този начин, в последователно свързани клетки, напрежението в клетката, която първа достигне пълно зареждане може да достигне много високи стойности, което може да доведе до увреждане на b-двуалуминиев триоксид. Като средство за защита, сяра-натрий батерията винаги съдържа паралелно свързани клетки с напречни връзки.
Фиг. 4. Заряд-разрядни криви при различни температури
С повишаване на температурата, разликата в напрежението между заряд и разряд намалява, т.е. ефективността на батерията се подобрява. Тъй като няма вторични реакции, Кулоновата (токова) ефективност (заряд/разряд Ah) е 100%, и само разликата в напрежението между
заряд и разряд е причина ефективността на съхранение (КПД) да е по-ниско от 100%. Тъй като тази разлика се намалява с повишаване на температурата, ефективността се увеличава с температура и се достига стойности до 90%.
Основните проблеми:
- Вътрешни къси съединения, причинени от прекомерно зареждане (презаряд) или от горещи точки (натриеви дендрити). Закъсената клетка достига високо вътрешно съпротивление.
- Механични дефекти (сепаратор или корпус на клетка), причинени от термични цикли (твърде бързо отопление или охлаждане).
Религията няма място в науката, докато обратното е възможно. В мазето не е ли достатъчно дискусионно, че и тука?
