Sula suolaakku (kutsutaan myös "sulaksi suola-akuksi", "lämpökakuksi") on akku , joka käyttää sulaa suolaa elektrolyyttinä . Tällaiset akut tarjoavat sekä suuren energiatiheyden että suuren tehotiheyden. Perinteisiä ei-ladattavia lämpöparistoja voidaan säilyttää kiinteässä tilassa huoneenlämmössä pitkän aikaa ennen kuin ne aktivoituvat lämmöllä. Ladattavia nestemäisiä metalliakkuja käytetään teollisuuden varavirtalähteenä, sähköajoneuvoihin ja verkkovarastointiin, tasapainottamaan satunnaisia uusiutuvia energialähteitä , kuten aurinkopaneeleja ja tuuliturbiineja .
Lämpöpatterit syntyivät toisen maailmansodan aikana, kun saksalainen tiedemies Georg Otto Erb kehitti ensimmäiset kennot käyttämällä suolojen seosta elektrolyyttinä. Erb kehitti akkuja sotilaskäyttöön, mukaan lukien V-1- ja V-2- raketit . Mitään näistä akuista ei käytetty kentällä sodan aikana. Toisen maailmansodan päätyttyä Erbin tekniikka siirrettiin Yhdysvaltain kansallisen standardointitoimiston asekehitysosastolle . [1] Yhdysvalloissa vuonna 1946 se otettiin heti käyttöön korvaamaan ongelmalliset nestepohjaiset järjestelmät, joita aiemmin käytettiin tykistön läheisyyssulakkeiden virtalähteenä. Erbin tekniikkaa käytettiin ammuksissa (kuten lähisytykkeet ) ja myöhemmin ydinaseissa . Teknologiaa tutkivat myös tutkijat 1980-luvulla käytettäväksi sähköajoneuvoissa. [2]
Vuoden 2021 tutkimus raportoi solujen vakaan suorituskyvyn 110 °C:ssa 400 syklin ajan. Kennoa käytettiin 3,6 voltin jännitteellä. Nestemäinen natriummetalli kulki keraamisen erottimen läpi ja saavutti nestemäisen natriumjodidin ja galliumkloridin seoksen, jota kutsutaan katolyytiksi. Galliumkloridin korkean hinnan odotettiin pitävän tämän mallin poissa kaupallisesta käytöstä. [3]
1960-luvun puolivälistä lähtien on tehty paljon kehitystyötä ladattavien akkujen suhteen, joissa on käytetty natriumia (Na) negatiivisina elektrodeina. Natrium on houkutteleva suuren -2,71 voltin vähennyspotentiaalin, keveyden, suhteellisen saatavuuden ja alhaisten kustannusten vuoksi. Käytännön akkujen luomiseksi natriumin on oltava nestemäisessä muodossa. Natriumin sulamispiste on 98 °C (208 °F). Tämä tarkoittaa, että natriumpohjaiset akut toimivat 245 - 350 °C:ssa (470 - 660 °F). [4] Tutkimuksissa on tutkittu metallien yhdistelmiä 200 °C:n (390 °F) käyttölämpötiloissa ja huoneenlämpötilassa. [5]
Pääartikkeli: Natrium-rikkiakku
Natrium-rikkiakku (NaS-akku) käyttää halpoja ja yleisesti saatavilla olevia elektrodimateriaaleja litium-rikkiakun ohella. Se oli ensimmäinen teollinen alkalimetalliakku. Siinä käytettiin nestemäistä rikkiä positiiviseen elektrodiin ja keraamiseen beeta-alumiinioksidielektrolyyttiputkeen (BASE). Ongelmana oli eristeiden korroosio, koska niistä tuli vähitellen johtavia ja itsepurkautumisnopeus kasvoi.
Suuren tehotiheytensä vuoksi NaS-akkuja on ehdotettu avaruussovelluksiin. [6] [7] NaS-akkua testattiin menestyksekkäästi STS-87- avaruussukkulalla vuonna 1997, mutta se ei päässyt massatuotantoon. NaS-akkuja on ehdotettu käytettäväksi Venuksen korkean lämpötilan ympäristössä. [kahdeksan]
TEPCO:n (Tokyo Electric Power Co.) ja NGK:n (NGK Insulators Ltd.) muodostama konsortio ilmoitti kiinnostuksensa NaS-akun tutkimukseen vuonna 1983 ja on siitä lähtien ollut tämän tyypin kehittämisen tärkein liikkeellepaneva voima. TEPCO valitsi NaS-akun, koska kaikki sen ainesosat (natrium, rikki ja keramiikka) ovat laajalti käytössä Japanissa. Ensimmäiset laajamittaiset kenttäkokeet suoritettiin TEPCOn Tsunashiman sähköasemalla vuosina 1993-1996 käyttäen 3×2 MW:n 6,6 kV akkuja. Tämän testin tulosten perusteella kehitettiin ja kaupallistettiin parannettuja akkumoduuleja vuonna 2000. Kaupallinen NaS-akkupaketti tarjoaa:
Matalan lämpötilan [9] versio sulaista suolaakuista kehitettiin vuonna 1985 ZEBRA-akuille (alun perin Zeolite Battery Research Afrikassa; myöhemmin Zero Emission Battery Research), jotka alun perin kehitettiin sähköajoneuvoihin [10] [11] . Akku käyttää NaAlCl 4 :ää keraamisen elektrolyytin kanssa Na + -beta-alumiinioksidista Na - NiCl. [12]
Akku toimii 245 °C:ssa ja käyttää elektrolyyttinä sulaa natriumtetrakloorialuminaattia (NaAlCl), jonka sulamispiste on 157 °C. Negatiivinen elektrodi on sula natrium. Positiivinen elektrodi on nikkeliä purkautuneessa tilassa ja nikkelikloridia varatussa tilassa. Koska nikkeli ja nikkelikloridi ovat lähes liukenemattomia neutraaleihin ja emäksisiin sulatteisiin, kontaktin annetaan antaa vähän vastusta varauksen siirtoa vastaan. Koska sekä NaAlCl että Na ovat nestemäisiä käyttölämpötilassa, natriumia johtavaa β-alumiinioksidikeraamia käytetään erottamaan nestemäinen natrium sulasta NaAlCl:sta .
Näiden akkujen valmistuksessa käytettävillä primäärikennoilla on paljon suurempi maailmanlaajuinen varasto ja vuotuinen tuotanto kuin litiumilla. [13]
Professori Donald Sadoway Massachusetts Institute of Technologysta oli edelläkävijä sekä magnesium- ja lyijy-antimonia käyttävien nestemäisten metallien akkujen tutkimuksessa. Elektrodi- ja elektrolyyttikerroksia kuumennetaan, kunnes ne muuttuvat nestemäisiksi ja erottuvat tiheyden ja sekoittumattomuuden vuoksi. Tällaisilla akuilla voi olla pidempi käyttöikä kuin perinteisillä akuilla, koska elektrodit käyvät läpi muodostumis- ja tuhoutumissyklin lataus-purkaussyklin aikana, mikä tekee niistä immuuneja tavanomaisten akkujen elektrodeihin vaikuttavalle heikentymiselle. [neljätoista]
Teknologiaa ehdotettiin vuonna 2009, ja se perustuu magnesiumin ja antimonin erottamiseen sulalla suolalla. Magnesium valittiin negatiiviseksi elektrodiksi sen alhaisten kustannusten ja alhaisen liukoisuuden vuoksi sulaan suolaelektrolyyttiin. Antimoni valittiin positiiviseksi elektrodiksi sen alhaisen hinnan ja korkeamman odotetun purkausjännitteen vuoksi. [15] [16]
Ei-ladattavat lämpöparistot käyttävät elektrolyyttiä, joka on kiinteää ja inaktiivista ympäristön lämpötilassa. Näitä akkuja voidaan säilyttää pitkään (yli 50 vuotta), mutta ne tarjoavat silti täyden tehon aina tarvittaessa. Kun ne on aktivoitu, ne tarjoavat suuren tehon lyhyeksi ajaksi (muutamista kymmenistä sekunneista 60 minuuttiin tai enemmän) tehon ollessa wateista kilowattiin. Suuri teho johtuu sulan suolan korkeasta ioninjohtavuudesta (joka johtaa alhaiseen sisäiseen resistanssiin), joka on kolme suuruusluokkaa (tai enemmän) suurempi kuin rikkihapon lyijyakussa.
Sähkökemiallisen reaktion käynnistämiseksi yksi malli käyttää sulavaa nauhaa (sisältää bariumkromaattia ja jauhettua zirkoniummetallia keraamisessa paperissa) kuumennuspellettien reunaa pitkin. Nauha käynnistetään yleensä sähkösytyttimellä tai squibillä, joka aktivoituu sähkövirralla.
Toisessa mallissa käytetään akun keskellä olevaa keskireikää, johon suurienerginen sähkösytytin laukaisee kuumien kaasujen ja hehkuvien hiukkasten seoksen. Tämä voi lyhentää merkittävästi aktivointiaikaa (kymmeniä millisekunteja) verrattuna satoihin millisekunteihin reunakaistan suunnittelussa. Akun aktivointi voidaan tehdä haulikkokotelon kaltaisella iskukorkilla. Lämmönlähteen tulee olla kaasuton. Tavallinen lämmönlähde koostuu yleensä rautajauheen ja kaliumperkloraatin seoksista painosuhteissa 88/12, 86/14 tai 84/16. [17] Mitä korkeampi kaliumperkloraattitaso on, sitä suurempi on lämmöntuotto (nimellisesti 200, 259 ja 297 cal/g). Tällä aktivoimattomassa tilassa tapahtuvan varastoinnin ominaisuudella on kaksinkertainen etu: se estää aktiivisten materiaalien vaurioitumisen varastoinnin aikana ja välttää kapasiteetin menettämisen itsepurkautumisen vuoksi, kunnes akku aktivoituu.
1980-luvulla litiumseosanodit korvasivat kalsium- tai magnesiumanodit. Katodit valmistetaan kalsiumkromaatista, vanadiinista tai volframioksideista. Litium-piiseokset ovat parempia kuin aikaisemmat litium-alumiinilejeeringit. Litiumanodien kanssa käytettävä katodi on pääasiassa rauta-disulfidia (pyriitti) tai kobolttidisulfidia suuritehoisissa akuissa. Elektrolyytti on tavallisesti litiumkloridin ja kaliumkloridin eutektinen seos.
Viime aikoina on myös käytetty muita matalassa lämpötilassa sulavia eutektisia elektrolyyttejä, jotka perustuvat litiumbromidiin, kaliumbromidiin ja litiumkloridiin tai litiumfluoridiin pidentämään käyttöikää; he ovat myös parhaita johtimia. Niin kutsuttua "täyslitium"-elektrolyyttiä, joka perustuu litiumkloridiin, litiumbromidiin ja litiumfluoridiin (ei kaliumsuoloja), käytetään myös suuritehoisissa akuissa sen korkean ioninjohtavuuden vuoksi. Radioisotooppilämpögeneraattoria, esimerkiksi 90 SrTiO 4 -tabletin muodossa , voidaan käyttää akun lämmön syöttämiseen pitkään aktivoinnin jälkeen pitäen se sulassa tilassa. [kahdeksantoista]
Lämpöparistoja käytetään lähes yksinomaan sotilaallisiin tarkoituksiin, pääasiassa ydinaseisiin ja ohjattuihin ohjuksiin. Ne ovat päävirtalähde monille ohjuksille, kuten AIM-9 Sidewinder , AIM-54 Phoenix , MIM-104 Patriot , BGM-71 TOW , BGM -109 Tomahawk ja muut. Näissä akuissa elektrolyytti immobilisoituu, kun se sulaa magnesiumoksidilla, joka pitää sen paikallaan kapillaaritoiminnalla. Tämä jauheseos puristetaan pelleteiksi muodostamaan välikappale akun jokaisen kennon anodin ja katodin välille. Niin kauan kuin elektrolyytti (suola) on kiinteää, akku on inertti ja pysyy passiivisena. Jokainen kenno sisältää myös pyroteknisen lämmönlähteen, jota käytetään kennon lämmittämiseen tyypilliseen käyttölämpötilaan 400-550°C.