今天跟大家聊聊钠硫电池，揭开这种电池神秘的面纱，看它如何与众不同，与此同时把它和锌溴电池做个全方位的对比。
钠硫电池，一种在争议中生存和发展的储能电池技术，处处与众不同。钠硫的优缺点同在，一方面它肌肉结实，能量充沛，有着很高的能量密度和大电流放电能力，在能源安全面临挑战，能量使用方式急需变革的当下，它被奉为颠覆传统，拯救世界的美国英雄；另一方面，它易燃易爆，高温腐蚀，在当下安全高于一切的世界里，它又被认作生性乖戾，不易管控，极具破坏性的危险分子。真所谓成也萧何败也萧何，我相信这种非议在短时间内难以消退。这归因于两点：第一是宣传力度不够，普通大众对这款电池了解甚少，导致出现两个极端，盲目相信和盲目怀疑。这需要深埋在研究所实验室的科研达人走出幕后，面向潜在客户，积极教育和引导，我个人体会很深，搜遍各大网站和文献，居然没找到一张钠硫电池充放电曲线图，很遗憾！第二是技术门槛太高，突破太慢，尚未给予投资者足够的信心。
钠硫电池出生在年，于福特汽车研发部。在电池家族中，比起铅酸，钠硫电池只能算是个年轻小伙。可惜它命途多舛，福特的初衷是要让它在汽车领域一展拳脚，但没人能忍受它℃运行环境，这也让工程师们头疼不已，为它高功率高能量的优点而手舞足蹈，因他高温高强腐蚀的缺点而顿足捶胸，看着是个栋梁之才，到最后连个扁担都没刮成，这或许是福特汽车的心声。随着镍氢、锂电的问世，他们确定钠硫电池不是这块料，于是放弃治疗。
俗话说是金子到哪里都发光，钠硫电池就是一块埋在粪坑里的金条。在美国不受待见，在小日本却得到了重生。年代，东京电力公司和NGK看上了它，并给了它一个offer，从此被重视，幸福来敲门。东京电力和NGK从此开始长达数十年的钠硫电池研发，日本*府也是大力相助，据说*府报销了他们75%的研发投入。
为什么钠硫会落户日本？我认为有以下两个方面：一是用途驱动，钠硫虽不适合移动电源，但固定使用，倒是弥补不少短板。第二是资源驱动，日本是个资源匮乏地区，但唯独不缺大海和火山，电池的原材料是钠和硫，海水中有钠，火山中有硫，若这款电池搞定，国家会变废为宝。想象一下，如果不是国家意志和支持，没有那个企业会不懈坚持几十年。他们年才开始做示范，年起火爆炸，现在还在探索中前进。
在日本把钠硫从粪坑中拉出来之后，中国人也突然发现这是块好东西，06年左右，上海电力联合中科院上海硅酸盐研究院，合作进*钠硫电池，他们的步伐很快，据说在开发过程中，温兆银团队也是五加二、白加黑地拼命推进，才造就了现在的AH钠硫电池单体的问世，崇明岛上有他们刚搭建完成的示范项目。
不管怎样，我相信这是一款很有实力的电池，在未来储能市场中有可能占据一席之地，否则我也不会花大把时间研读它，把它和锌溴电池放在天平上，称一称几斤几两，比一比高低上下，读者旁观，看的最清楚。
好了，现在切换到钠硫与锌溴的PK现场。
1原理
钠硫电池：钠硫电池在-℃的温度范围内运行，放电时，负极的单质钠（Na）失去电子，转化为钠离子，同时钠离子穿过固体陶瓷电解质β-Al2O3，与正极侧的单质S结合成多硫化钠Na2Sx；充电时，正极侧的钠离子穿过固体陶瓷电解质β-Al2O3，到负极得到电子，被还原成单质钠（Na）,同时正极的多硫化物因失去钠离子而转化为硫单质（S）。电池的反应电压随着含硫量不同而变化，范围在2.08-1.78V之间。
锌溴电池：锌溴电池属于常温电池，启动温度在0-45°之间，充电时Br2从正极析出并络合，存于储液罐内，Zn从负极析出，镀在碳极板上。放电时Br2在正极转化为Br-，同时负极板上的锌（Zn）失电子后转化为锌离子（Zn2+）；锌溴电池反应过程电压基本保持不变，维持在1.85V左右。
2β-Al2O3陶瓷管：集电解液与隔膜功能于一身
陶瓷管，形状类似一个试管，能承装液体而不泄漏，区别在于试管的材料不是玻璃，而是β-Al2O3陶瓷，制作钠硫电池时，陶瓷管里面注满液态钠，管子的外面被浸泡在液态硫中（别忘了温度是℃）。所以陶瓷管可同时兼作电解液和隔离膜，称它为电解液，因为它在充放电过程中有传导钠离子的作用，特殊的是，这个电解液不是液体，而是固体；称它为隔离膜，是因为它隔离正负极活性物质的作用。
可以说，在研读相关资料的过程中，给我迷惑最大的就是这个管子，直到顿悟的前一秒，受传统电池概念的干扰，主要体现在两个方面：第一，我把管子当成微孔膜，一直困惑液态钠为什么不流过微孔膜和硫发生自放电反应。第二，打死都不会相信陶瓷会导电，若导电，我的三观要颠倒了，高压线就不会用陶瓷做绝缘了。现在的解释就是陶瓷管在℃以上高温时能够导通，只不过导通的是钠离子。这样一来，很容易理解钠硫电池库伦效率几乎%了，因为电子过不去。
写到这里，我猜大家会和我有同样的疑问，管子破了怎么办？没有办法！我们无能为力，默默无语俩眼泪，等待液态钠和硫的直接接触，剧烈反应，大量放热使电池温度瞬间达到℃以上，要知道铁的熔点才℃左右，这意味着什么？意味着电池的不锈钢外壳熔化，熔液四溢，火焰冲天！轻者一场大火，重者一次灾难！所以管子的工艺至关重要，是钠硫电池的最核心工艺！搞不定这个β-Al2O3陶瓷管工艺，请不要参合钠硫电池的产品开发，否则爬的越高，摔得越响。
对锌溴电池而言，电解液是电解液，微孔膜是单独的微孔膜，概念清晰，不像钠硫一样不按套路出牌，差点把我带沟里去。锌溴液流电池的电解液是溴化锌盐水，外加一些络合剂MEP，微孔膜跟锂电或铅酸电池材料一直，改变厚度可直接使用，锌溴电解液锌离子浓度在3mol/L左右，电解液能量密度约为-WH/L。
3正极硫
特别的电池处处与众不同，钠硫电池是液态电极，液态Na和液态S。其他电池，如锌溴，全钒、铅酸、锂电、镍氢、铅碳，正负极都时固体，要么是碳板、要么是金属板。这一段聊聊正极硫。
硫是生活中常见的物质，是黑火药的主要成分，可制成肥皂，能制造酸雨，也能杀菌消炎！硫曾经帮助过我！我初中时开始住校，睡了大半年的集体通铺，一间屋子睡二三十个人，环境脏乱差、气味五味杂陈，于是乎我得了疥疮！哪个地方最痒？我不说！家人第一时间发现后带我找到做医生的爷爷，开了一包硫磺粉末，盐水洗净后撒上，一周之内神奇痊愈！我也赶紧逃离了充满传说的集体宿舍！从此对硫记忆深刻。
硫用作电极材料，真是天才想法，提醒大家一下，硫是绝缘体，天生不导电！搞个绝缘体当电极，areyoukiddingme？！事实上它就是如假包换的电极，可以说钠硫电池是个了不起的发明！任何一个环节不考虑到，钠硫电池就不会问世。发明者处理的方式是将硫浸泡在导电纤维碳毡之中，运行时，S的电子得失由导电纤维负责导出或汇入。
锌溴电池的正负极都是一种物质，碳极板，在多片电堆中，碳极板的一面做正极，另一面做负极，因此又被称作双极板，由碳粉和塑料混合而成，原料丰富，工艺简单，价格低廉！
4负极Na
钠，是一种极为活泼的金属，不能与空气接触，见氧气放电，见水要勾搭，见CO2也想私奔，钠被存放在煤油中。叫它金属，其实一点都不刚硬，相反像块蛋糕，一划就开，97℃熔化成液体。
作为钠硫电池的负极，由于是液体，工程师在其中插入铜网来搜集电池的电子，以实现对外供电。这里要指出一个细节，放电过程中，负极陶瓷管内的钠不断转移到正极S侧，负极侧Na的量会减少，导致液位下降明显，陶瓷管不可以干烧，否则会有因温度不均，陶瓷有开裂风险。针对这个问题，目前国内外有两种方案：一是过量加注液态钠，液位远高于陶瓷高度。该方案钠的用量加大，体积也会很大，经济性不高；二是贴近陶瓷管内壁衬入铜丝或钢丝做成的毛细网作为钠芯，钠芯有很强的虹吸作用，只要管内有少量钠液，钠芯总能保证陶瓷管实时处于湿润状态。第二种方案有四个好处：（1）电解液用量减少，活性物质利用率加大；（2）电池体积减小，重量更轻；（3）安全性能更高，陶瓷管破裂时，钠芯有阻止钠液扩散的作用；（4）电池的密封会更方便。
锌溴电池的电极是固体，不需要灌注，相反锌溴需要灌注的是电解液，常温下即可，如上图所示，人员也无需任何防护，采用手提式虹吸泵，乏善可陈。
5电池单体
单体是电池模块的基本单元，单体的特性决定这模块的性能，下面我们把钠硫和锌溴的单体进行对比。
钠硫电池：如上图所示，钠硫电池的单体呈圆柱形，外面为不锈钢外壳，里面承装这液态硫，陶瓷管沉浸在硫液中，管内灌注的是液体钠。关于其尺寸大小，我们可以参考上海硅酸盐研究院的AH规格：直径94mm，长度mm，电压2V左右，对外输出功率W左右。钠硫电池的作用有两个：一是作为测试平台，检测材料和工艺的可靠性；二是作为供电主体用于储能系统，为储能系统的最小供电单元。
锌溴电池：锌溴的单电池不会直接用于储能系统，它仅作为一个材料测试平台，主要有以下三个方面的作用：
（1）工程材料检测:对采购的规定型号多孔膜、碳极板、活性碳布、电解液、支撑网等材料进行性能检测,评估其与对应标杆材料测值的差是否在合理范围内，判定合格则使用，不合格则因查明原因并退货。
（2）改进材料检测：多孔膜、碳极板、活性碳布、电解液、支撑网等材料材料组成或成型工艺变动后，都要对其进行20次以上的性能检测，通过与以前经验数据的对比，评估其性能稳定性、性能提高率，而单电池就是最快捷、最经济的评价平台。
（3）优化测试研究：将多孔膜、碳极板、活性碳布、电解液、支撑网等材料组成或成型工艺变动后，列出变化组合表，或通过同一组合的不同测试工况，同时通过多个单电池系统进行测试、采集并处理相关数据，分析所得的包括电压效率、库伦效率、热量损失、有效能量效率、脱锌效率等运行数据，不断寻找能提高电压效率，库伦效率的最佳材料组合、运行宫况条件、材料厚薄、构建间距，以实现提高总体能量效率的目的。
6工艺
一节电池摆在桌子上，研发经理第一反应是电池怎么做出来的？项目经理会想这个电池怎么用，性能如何？销售人士的会问电池成本多少，什么人需要？投资经理会问市场潜力有多大，将来会有多少倍估值。
我们慢慢来，从工艺说起。
钠硫电池：对这这款电池而言，工艺就是生命，从陶瓷管的烧制，钠液灌注、液硫灌注，系统密封，一环套一环，牵一发而动全身。
（1）β-Al2O3陶瓷管
陶瓷管的性能完全依赖于烧制工艺，烧结温度在℃左右，工艺操作会受以下工艺影响，第一、高温会发生钠损失和晶粒长大，导致机械性能下降；第二，β-Al2O3含量降低时，陶瓷管的导电性下降，导致内阻加大，电池效率降低；第三、表面残余的NaAlO2降低边界对湿度的敏感性。
（2）注钠工艺
钠的活泼型，既要隔绝空气，又要液体灌装。这就必须在高温密闭环境下进行，一般采用手套箱操作，效率低，有采用点解NaNO3的方法，同样费时费力，也有设计一个大储罐，将液钠集中存放，下面用细管道向陶瓷管内灌装。
（3）硫电极灌注
早期的硫极制作是把熔融硫直接注入填充碳毡的硫极容器中，这要在加热状态下进行，以避免β”-Al2O3陶瓷管破裂，电池装配不便，不适合大规模生产。后来发展出了在室温下预制硫极的技术，主要是采用槽型的模具压制碳毡成型，然后浇注熔融硫，冷却后制成硫极预制块。
（4）密封
钠硫电池是一种全密封结构，包括陶瓷与陶瓷、陶瓷与金属、金属与金属三种密封，密封技术对钠硫电池尤为重要，关系到钠硫电池的性能、寿命以及安全可靠性。大气中充满了O2，CO2和H2O，一旦进去，后果不堪设想，雪上加霜的是，充放电时，钠的液位在不断变化，这更像一个抽气筒，试图把外面的空气抽筋来。密封要确保万无一失！
锌溴电池：锌溴电池的工艺主要是双极板的制作以及电堆装配，其重要工艺难点是焊接和密封。焊接是将碳极板与液流框焊接为一体，制作双极板，这一过程至关重要，要确保焊接密封良好，否则电解液会从一侧穿过焊缝到另一侧，导致一节电池失效，电池性能呢下降，但完全无起火爆炸风险。另一个工艺是装配，主要是将制作完成的双极板叠加组合，制作成一个完整的电堆，同样，成品堆有密封性要求。
对比而言，钠硫与锌溴电池密封性要求不在一个数量级，钠硫是完全密闭，而锌溴是24小时压降在1%以内即认为合格。密封对钠硫电池来说是一票否决。而锌溴是不漏液即可。
7充放电曲线
我搜了很多资料，仅找到一条表征钠硫运行工况曲线，在这个曲线内，我们看到钠硫电池的电压有明显的阶跃和变化，这归因于电池内部组分的变化，我们在温度一节介绍。而锌溴电池充放电过程电压基本维持恒定，我在其他文章中有过介，这里不啰嗦了。
8电堆/PACK
电堆或者PACK是储能系统能量调度的控制单元，将一定数量的单体电池集中为一组，统一管理，有利于提高管理效率。针对钠硫，电堆的意义远不止这些，单个模块为一个防火单元。首先每个单体周围用沙子包裹，防止单体活性物质泄漏；其次单体与单体之间通过防火隔板隔离，并加装过流保险丝，尽可能消除某个单体的事故对周围的影响；第三，模块四周被保温材料包裹，并配有加热器和散热器，减少模块与环境的传热。
相比而言，锌溴电池的电堆简单的多，无需任何防护与保护，电堆只是电池反应的场所，而活性物质并不在电堆内部，所以有着天然的安全属性。
9电池储能系统
钠硫电池：钠硫的能量密度较高，如图所示一个1MW的系统，占地面积仅为30平米，加上富余空间，应该在50平米所有，从这方面看，还是相当紧凑。值得注意的是，高度有5m，也就意味着整套系统不能进出厂房，不能下榻地下室，只适合户外空旷地带。或许还有其他尺寸的系统，但占地面积肯定只大不小。
另外钠硫储能系统还有一个问题，那就是启动问题，电池从启动前需要预热，通过外部电源将电池缓慢加热到℃以上，这个过程类似电厂锅炉的预热，至少需要24小时，如果你是个性子急的主，想大火猛攻，那不好意思，β“-陶瓷管有破裂的风险。补充一下，这个过程并不是频繁进行，只要时刻保持模块温度高于℃，即可瞬间启动。
锌溴电池：要启动锌溴系统，只需启动磁力泵即可，几秒钟的事，如果电堆内部存留有活性物质，系统即可瞬间对外放电，无需等待。至于温度，有运行经验的伙伴告诉我，锌溴电池可在零下五六度的环境内进行充放电循环，这超出我的预期。关于占地面积，这里有个参考，一个25kw-50kwh的系统的大致尺寸为1m（L）×1.2m（W）×2.2m（H）。
10温度
为什么要把温度拿出来单独讲？因为它对钠硫电池太重要了。在之前的思维定式中，我认为既然钠硫电池已经在这么高的温度下运行，电池受温度的影响应该忽略不计。后来发现不是这回事，钠硫电池堆温度照样很敏感。在NGK在他们的K30型号模块上特意安装了一个W的加热器，同时也配备了一个风扇：温度低时加热，温度高时散热。
为什么温度维持在-℃？为什么要加装风扇？
硫的熔点℃，钠的熔点97℃，而反应生成的多硫化钠（Na2Sx）的熔点在-摄氏度之间，又因为β-Al2O3陶瓷管在℃以上时离子传导阻力低。这就解释了钠硫电池工作温度在℃以上的原因。至于为什么不得高于℃，我未找到答案，个人猜测是温度过高，内阻加大，活性物质腐蚀性增强。所以要加风扇，这是我的猜想，欢迎各位专家解答。
钠和硫是否可以完全反应？
为寻求答案，我找到了一条曲线，见上图，图中是不同S含量下熔液的熔点变化，可以看到，当正极硫含量低于75%时，物质的熔点会显著升高，预示着硫含量过低时，电池内部会有晶体析出，同样导致内阻加大，温度升高，损害电池。所以，正极硫含量最好维持在75%-%之间运行，钠硫怕过充。
锌溴电池：锌溴系统也有个散热器，主要是防止电解液温度过高，温度高于35℃时启动，低于25℃时关闭。在过充过放方面，过充对锌溴同样不好，会导致副反应发生，过放对锌溴无伤害。11安全
安全无小事！这也是公众迟迟没能靠近它的原因。恐惧源于无知，在这一节里，我会告诉大家这款电池的危险隐患在哪里，以及国内外企业为确保安全所做的努力。
首先是钠，钠可以在CO2中燃烧，所以一旦出现事故，泡沫灭火器绝对不可以用，否则是火上浇油；钠可以和水发生剧烈反应以至爆炸，记得在高中化学钠水反应的实验课上，为确保安全，老师亲自操作，切一小块钠扔进水里，想看它浮游的现象，没想到老师一不小心切多了点，扔进水里突然爆炸，还好只是一丁点，可怜老师刚买的西服，袖子被炸了好几个窟窿，还好手没问题。据说后面这个实验取消了。故事告诉消防人员，钠硫事故现场不能用水枪灭火。常规的都不能，到底用什么？用沙子，沙子能有效扑灭明火，阻止火势蔓延。
其次是硫，硫与空气接触会产生有*气体，如SO2，CS2，H2S等，硫化氢的味道我前天刚领教过！给老婆做西红柿炒蛋，碰到一颗坏掉的鸡蛋，貌似变质不止一天两天，这臭气真让人难忘，弥漫整个厨房。
另外，谈到钠硫的安全，就不得不提年的那次火灾，大火烧了一个星期才被扑灭，确切地说，是该烧的烧完了。这次火灾让NGK销售停滞，前途似乎也蒙上一层纱。NGK的解释很长很专业，大致内容有两点，一是系统不小心混入一只不合格的电池，引发溶液外溢；二是防护不够，单体之间没有设置防火墙和过流熔断器，保护未动作，溶液流向邻居，引发连锁反应。我必须说，七天大火，东西都烧成灰烬了，工程师如何准确知道事故起因？还有不合格的产品是不是意味着质量事故？
好在针对这些问题，NGK公司卧薪尝胆，潜心应对，目前资料所见的是NGK针对自家的产品做过火烧试验，即在火堆中静置35分钟，第二个是浸水试验，将电池浸没在水槽中运行；第三是坠落测试，让电池从5m高处坠落，测试合格，最后一个是短路测试，冲击0A的短路电流。以上测试的目的和明确，就是为安全运行保驾护航，祝福钠硫电池好运！
锌溴电池：与钠硫处境相近的是，公众对于锌溴电池中溴的安全性保持怀疑，于是我们的专家亲自上阵，将手指插入充满活性物质的电解液中，以示安全，请看上图，我想告诉我们的专家，千万别再把手指头放进嘴里啄，否则要去seethedoctor！
12电池管理系统（BMS）
BMS是电池系统的大脑，它一方面搜集系统运行数据，另一方面根据默认逻辑，对故障做出预警和保护动作。
钠硫电池系统实时监测每个单体的电压、电流、运行温度等数据，根据事故情况可作出过压/欠压报警以及过压/欠压闭锁。
锌溴电池以电堆为单元（60片）进行检测，数据量明显降低，控制逻辑也相对简单，除了采集电压电流温度曲线外，BMS还要单独采取磁力泵的转速以及电解液压力信号。
13经济性
钠硫电池：孙丙香的文章给出了年左右1MW/7MWH钠硫储能系统成本的构成，如上图，其中电池本体+安装占总成本的50%，PCS站到21%之多，其他占比30%左右。目前资料显示，钠硫电池的成本可做到元/kwh。
锌溴电池：图中给出的是一个50kwh模块储能系统的成本分配（未考虑PCS）：电堆占比最多41.2%，电解液占比18%，其他各项共占比40%。
14电动汽车
福特汽车发明钠硫电池的初衷是让他服务于电动汽车，中科院、北京大学、北京玻璃研究院等在70年代左右也推进了一波研究，甚至把钠硫装进一辆试验车上，但受限与资金以及技术积累不够，充电寿命仅30周，远达不到使用要求。科技进步的今天，据说美国有企业在继续推进钠硫电池在电动汽车领域的应用。有学着在试验低温钠硫电池。
锌溴电池用于电动汽车，未见过任何报道，前段有个Nanoflowcell公司推出的高能液流电池汽车，我猜测是锌溴。Nanoflowcell的车子也未见上市。
写一篇有关钠硫锌溴技术对比的文章是我很久以来的冲动，苦于对钠硫的学习不够，一直没有动笔。今天终于完成了，虽秉持客观公正的立场，但文章难免有很多棱角，不足之处，还请各位见谅。
好了，各位，以上是我对钠硫电池的理解和认知，钠硫和锌溴的知识就介绍到这里。有感兴趣的朋友可加入我的