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Low-cost, high-capacity sodium-sulphur battery expected to be gamechanger for clean energy economy

Staff Writer | December 8, 2022 |

An international team of researchers is hoping that a new, low-cost battery which holds four times the energy capacity of lithium-ion batteries and is far cheaper to produce will significantly reduce the cost of transitioning to a decarbonized economy.


In a paper published in the journal Advanced Materials, the scientists explain that the battery has been made using sodium-sulphur – a type of molten salt that can be processed from seawater – which costs much less to produce than lithium-ion.

Although sodium-sulphur (Na-S) batteries have existed for more than half a century, they have been an inferior alternative and their widespread use has been limited by low energy capacity and short life cycles.

But using a simple pyrolysis process and carbon-based electrodes to improve the reactivity of sulphur and the reversibility of reactions between sulphur and sodium, the researchers’ battery has shaken off its formerly sluggish reputation, exhibiting super-high capacity and ultra-long life at room temperature.

The team says the Na-S battery is also a more energy-dense and less toxic alternative to lithium-ion batteries which, while used extensively in electronic devices and for energy storage, are expensive to manufacture and recycle.

“Our sodium battery has the potential to dramatically reduce costs while providing four times as much storage capacity. This is a significant breakthrough for renewable energy development which, although it reduces costs in the long term, has had several financial barriers to entry,” lead researcher Shenlong Zhao, from the University of Sydney, said in a media statement. “When the sun isn’t shining and the breeze isn’t blowing, we need high-quality storage solutions that don’t cost the earth and are easily accessible on a local or regional level.”

According to Zhao, he and his team hope that by providing a technology that reduces costs, the clean energy economy gets closer to becoming a reality.

“It probably goes without saying but the faster we can decarbonize — the better chances we have of capping warming,” the scientist said. “Storage solutions that are manufactured using plentiful resources like sodium – which can be processed from seawater – also have the potential to guarantee greater energy security more broadly and allow more countries to join the shift towards decarbonization.”

UAE: Abu Dhabi

The NAS battery system for Abu Dhabi in the United Arab Emirates became the first deployment of a large-scale energy storage system in the Middle East. The NAS battery system is still the only system with a successful operation record in that region today. It is significantly less sensitive to external temperature due to its high temperature operation battery. This, and other unique characteristics, considerably contribute to the stable operation under the harsh environment present in Abu Dhabi such as high temperature (max.50 degree C), dusty condition and etc...

The project started in 2008, in 2018, finally a total of 108 MW/648MWh of NAS batteries had been completely installed in several substations.
These battery systems are controlled by our own central integrated system controller (CISC) that started operation in January 2019, which enables the distributed battery systems to be integrated into one huge system with 108MW of power output and realizes optimal operation to the grid. In addition to its use as a peak cut and emergency power source, it also contributes to the reduction of fuel consumption and CO2 emissions by operating the gas turbine generator at a constant output, which is a valuable strategic resource of the country such as oil and natural gas.

2011 Tsukuba Plant fire incident

Early on the morning of September 21, 2011, a 2000 kilowatt NaS battery system manufactured by NGK, owned by Tokyo Electric Power Company used for storing electricity and installed at the Tsukuba, Japan Mitsubishi Materials Corporation plant caught fire. Following the incident, NGK temporarily suspended production of NaS batteries.[6]

BASF va vendre les batteries à base de sodium-soufre de NGK

AURORE GAYTE le 18/06/2019

BASF New Business, une filiale de BASF, et le fabricant de céramiques japonais NGK Insulators ont signé un accord de partenariat commercial le 11 juin. Cet accord non-exclusif donne le droit à BASF de vendre les batteries à base de sodium-soufre produites par NGK à travers les canaux commerciaux de l’Allemand. « [Nous] espérons tirer tous les deux avantages de cet accord commercial », a expliqué BASF dans un communiqué de presse.

Commercialisées sous le nom de « batteries NAS », elles sont fabriquées depuis plus de 15 ans par NGK. La technologie utilisée pour leur production permet une restitution d’énergie de plus de 560 MW et une capacité de stockage de 4,0 Gwh. Elles supportent également l’intégration d’énergies intermittentes dans la grille électrique, comme l’énergie solaire et éolienne, et[…abonnés]

Batteries : les aléas du sodium-soufre

Environnement magazine le 4 novembre 2016

C’est l’histoire d’un beau projet, d’une batterie qui fonctionne bien, mais qui n’a pas encore totalement convaincu. Dans l’île de la Réunion, EDF avait installé dès 2009 une batterie sodium-soufre sur un poste-source situé à Saint-André, dans le cadre d’un projet baptisé Pégase. Ces batteries sont spécialisées dans le stockage massif, de l’ordre du mégawatt. Elles fonctionnent à haute température, environ 300 °C, et possèdent un atout majeur : leur prix. Mais elles ont aussi plusieurs inconvénients. Leur rendement reste moyen : 60 à 65 %, contre près de 90 % pour la technologie lithium-ion. Autre défaut, leur ratio puissance sur énergie est fixe. Ainsi, une batterie d’une puissance de 1 mégawatt fournit forcément 7 mégawattheures.

Celle de Saint-André avait une puissance de 1 MW. Elle était notamment destinée à répondre au pic de consommation à la tombée de la nuit. Elle a rempli sa mission avec succès, si bien qu’EDF a décidé en 2011 de l’utiliser pour favoriser le développement des énergies intermittentes. Elle a donc mis en réseau avec trois parcs renouvelables : deux fermes photovoltaïques et une ferme éolienne pour une puissance totale de 23 MW. À l’aide de méthodes de prévision de la production de court terme (moins de 48 heures) et très court terme (quelques dizaines de minutes), l’objectif était de démontrer que l’on peut injecter sur le réseau une production lissée à partir d’une production intermittente. Succès là encore, puisque « grâce à ce système de stockage, la Réunion peut désormais atteindre le taux d’énergies intermittentes instantané de 32 % », souligne-t-on chez EDF. Habituellement, ce seuil de sécurité est limité à 30 %. Autrement dit, sans la batterie, à chaque fois que l’on risquait d’injecter plus 30 % d’énergies intermittentes, l’opérateur local d’électricité SEI devait débrancher une partie de sa production. Le projet Pégase visait à réduire de 80 % ces pertes d’électricité renouvelable.

Malgré tous ces succès, cette batterie a dû être stoppée. À l’origine, un feu s’est déclaré sur une batterie sodium-soufre non pas en France, mais au Japon. Le constructeur, le japonais NGK, a demandé à tous ses clients un arrêt pour vérification et changement des cellules. Depuis, le projet Pégase a redémarré et fonctionne correctement, mais rien n’indique que cette solution sera retenue industriellement. « Cette batterie sodium-soufre était bien positionnée sur le marché, mais l’incident a installé le doute », observe Laurent Torcheux, chef du groupe batteries chez EDF.

Aujourd’hui, les batteries lithium-ion viennent en concurrence frontale avec des prix fortement à la baisse. Sans l’incendie, les batteries sodium-soufre auraient progressé, une deuxième génération serait apparue. Mais l’incident a fait perdre cinq ans. « Il y aura quand même un marché du sodium-soufre, prédit Laurent Torcheux. Mais pour cela, il faut attendre une nouvelle génération, plus souple en rapport puissance/énergie, et moins chère. »

The world’s largest “virtual battery plant” is now operating in the Arabian desert

By Akshat RathiJanuary 30, 2019

The United Arab Emirates likes breaking world records. Flush with oil money and blessed with plenty of open land, the country has the world’s tallest building, largest mall, largest desalinated water reservoir, and one of the largest solar farms. It can now add one more record to the list: the world’s largest virtual battery plant.

Earlier this month, the department of energy in Abu Dhabi turned on a 108 MW/648 MWh sodium-sulfur battery plant. For comparison, the storage capacity of the Abu Dhabi battery is about five times that of the lithium-ion battery system Tesla installed in Hornsdale, Australia in 2017.

The batteries are installed in 10 different locations in Abu Dhabi, but they can be controlled as a single plant. Hence, the department of energy calls it a “virtual” battery plant.

Like other oil-rich countries in the Middle East, the UAE still gets almost all of its energy from fossil fuels. But it stands out in the region by also betting big on renewables. ”In 50 years, when we might have the last barrel of oil… I can tell you we will celebrate that moment,” said Sheikh Mohammed bin Zayed, the crown prince of Abu Dhabi, a few years ago.

The country plans to spend $160 billion by 2030 on renewable energy, setting a 2050 goal to get more than 60% of its electricity from carbon-free sources. That’s not as bold as the net-zero emissions goal adopted by others around the world, but it’s among the most ambitious in the Middle East.

The move is driven by necessity. Emiratis mostly live on the coasts and will face insurmountable challenges as climate change causes sea levels to rise.

The desert’s plentiful sun has helped it to secure aggressive bids for solar farms, pushing the price per unit of electricity down to historically low levels. But as the country boosts the amount of renewable power it generates, it needs to add energy storage to set aside power for when the sun doesn’t shine.

Instead of lithium-ion batteries from Tesla, however, the UAE opted for sodium-sulfur batteries from Japan’s NGK. Lithium-ion batteries are able to pack a lot of energy in small space, which makes them ideal for electric cars, but they require air-conditioning to maintain the right operating temperature. Sodium-sulfur batteries, on the other hand, operate at 300°C (572°F) and are heavily insulated.

The size of the UAE’s new battery system is so large that it could provide up to six hours of backup power in case Abu Dhabi’s electricity grid goes down. For such longer-duration storage, sodium-sulfur batteries become cheaper than lithium-ion batteries, according to an NGK representative. The UAE installation beats NGK’s previous battery record, which went online in Japan with a power capacity of 50 MW and an energy capacity of 100 MWh.

Une batterie géante au sodium de 4 MW au Texas

La petite ville de Presidio située dans l'ouest du Texas possède une vieille ligne à haute tension datant de 1948 et qui demeure reliée au réseau électrique central des États-Unis. Aussi, pour pallier aux défaillances répétées de la ligne, la ville a décidé d'investir dans une gigantesque batterie au sodium.
La batterie géante d'une puissance de 4 mégawatts pourra fonctionner sans interruption pendant huit heures.

Le système de batterie qui se compose de 80 modules de 3,6 tonnes chacun a été construit par la firme japonaise NGK-Locke.

Le dispositif représente la première batterie Sodium-Soufre (NaS) au Texas et la plus importante du pays. Les habitants de Presidio l'ont déjà surnommé "BOB", une abréviation pour "Big Old Battery".

Bien que l'instance publique en charge du réseau de transport d'électricité au Texas** a participer au financement du projet de batterie à hauteur d'environ 25 millions de dollars, ce dernier a également accepté la création d'ici 2012, d'une seconde ligne de 100 km pour une enveloppe budgétaire de 44 millions dollars.

Cette batterie va aussi servir de banc d'essai pour les entreprises de services publics désireuses de stocker les énergies dîtes intermittentes telles que les énergies éoliennes et solaires. Cependant, les spécialistes pensent qu'il ne faudrait pas généraliser ce type de dispositif au détriment de la rénovation du réseau électrique dont les américains ont besoin.