A sodium liquid metal battery based on the multi-cationic electrolyte for grid energy storage

材料科学 储能 电解质 法拉第效率 电池(电) 溶解 熔点 电化学 无机化学 化学工程 电极 复合材料 冶金 功率(物理) 热力学 工程类 物理化学 化学 物理
作者
Hao Zhou,Haomiao Li,Qing Gong,Shuai Yan,Xianbo Zhou,Shengzhi Liang,Wenjin Ding,Yaling He,Kai Jiang,Kangli Wang
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier]
卷期号:50: 572-579 被引量:49
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2022.05.032
摘要

Sodium-based batteries are very promising for large-scale applications in near future, thanks to the great abundance and low cost of sodium. Herein, a high-performance liquid metal battery with a negative electrode of metallic sodium is developed. As the metallic sodium has a low melting point (∼ 98°C) and weak corrosion to ceramic seals, the sodium liquid metal batteries (Na-LMBs) offer the merits of low operating temperature, low cost, long lifespan and high safety. However, sodium metal has a high solubility in the electrolyte of single-cationic molten sodium halide mixtures such as NaF-NaCl-NaI due to a high melting point above 500°C, resulting in high self-discharge and low coulombic efficiency. In this work, a multi-cationic ternary molten chloride salt mixture LiCl-NaCl-KCl (59:5:36 mol %) with a melting point lower than 400°C was designed as the electrolyte, which effectively inhibits the dissolution of sodium in the electrolyte. Further, by adopting a dual-active Bi9Sb alloy positive electrode, the active material utilization was improved. At 100 mA cm−2, the battery ran stably over 700 cycles at 450°C with a coulombic efficiency of 97%, and active material utilization of about 80%. The battery also exhibited decent rate performance within the current densities of 100-1000 mA cm−2. The calculation based on a 1 MW/5 MWh demo energy storage plant indicates that the estimated Levelized Cost of Storage (LCOS) of the Na-LMB is lower than 0.029 $/kWh. These results demonstrate the Na-LMB as a promising technology for grid-scale energy storage applications.
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