鈉硫電池是一種由液態鈉(Na)和硫(S)構成的熔鹽電池。該類電池能量密度高（能量密度是鉛酸電池的5倍），充放電效率高，循環壽命長（>1000次），采用廉價無毒材料制造.300至350°C的工作溫度和多硫化鈉的高腐蝕性，主要使其適用于固定式儲能應用。隨著尺寸的增加，電池變得更經濟。市售電池通常體積大且容量高（高達500Ah）。這是因為較大的電池以比較小的電池更慢的速度冷卻，從而可以保持較高的工作溫度。

與陽極、陰極和膜均為液體的液態金屬電池相比，典型的電池在陽極和陰極之間具有固體電解質膜。電池通常制成圓柱形。整個電池由鋼制外殼封閉，通常由鉻和鉬保護，以免內部腐蝕。這個外部容器用作正極，而液態鈉用作負極。容器頂部用密封的氧化鋁蓋密封。電池的一個重要部分是存在選擇性地傳導Na+的BASE（β-氧化鋁固體電解質）膜。在商業應用中，為了更好地保溫，電池被布置成塊狀，并被封裝在真空絕緣盒中。

在放電階段，核心處的熔融元素鈉充當陽極，這意味著鈉將電子提供給外部電路。鈉通過β-氧化鋁固體電解質(BASE)圓柱體與熔融硫磺容器分離，該容器由用作陰極的惰性金屬制成。硫被碳海綿吸收。BASE在250°C以上時鈉離子的良導體，但電子的不良導體，因此可避免自放電。金屬鈉在低于400°C時不會完全潤濕BASE，因為有一層氧化物將它們分開；通過在BASE上涂上某些金屬和/或向鈉中添加吸氧劑，可以將該溫度降低到300°C，但即使這樣，潤濕也會在200°C以下失敗。在電池開始運行之前，必須對其進行加熱，這會產生額外的成本。為了應對這一挑戰，將鈉硫電池與太陽能熱系統耦合的案例研究。從太陽收集的熱能將用于預熱電池并在使用之間的短時間內保持高溫。一旦運行，當鈉放出一個電子時，Na+離子會遷移到硫容器中。電子驅動電流通過熔融鈉到達觸點，通過電負載并返回硫容器。在這里，另一個電子與硫反應形成Sn2-，即多硫化鈉。放電過程可以表示如下：2Na+4S→Na2S4(Ecell~2V)隨著電池放電，鈉含量下降。在充電階段，發生相反的過程。室溫鈉硫電池傳統鈉硫電池的主要缺點之一是它們需要高溫才能運行。這意味著它們必須在使用前進行預熱，并且在不使用時它們會消耗一些存儲的能量（高達14%）以保持此溫度。除了節省能源外，室溫操作還可以緩解安全問題，例如在高溫操作過程中由于固體電解質失效而可能發生的爆炸。可以在室溫下運行的鈉硫電池的研究和開發正在進行中。盡管與高溫相比，鈉硫電池在室溫下的理論能量密度更高，但在室溫下運行會帶來以下挑戰：-硫和多硫化鈉的導電性差-硫的體積膨脹，在電池內產生機械應力-鈉和硫之間的低反應速率-在鈉陽極上形成枝晶，導致電池短路。這是由下文解釋的穿梭效應促成的。-更短的循環壽命，這意味著電池必須比高溫電池更頻繁地更換。穿梭機效果：鈉硫電池中的穿梭效應會導致容量損失，這可以定義為可從電池中提取的能量減少。當電池放電時，鈉離子在陰極與硫（呈S8形式）發生反應，形成多硫化物，步驟如下：a)鈉離子與S8反應生成Na2S8，可溶于電解液。b)Na2S8與鈉離子進一步反應生成Na2S4，它也是電解質可溶的c)Na2S4與鈉離子進一步反應生成不溶的Na2S2。d)Na2S4與鈉離子進一步反應生成不溶性的Na2S當可溶性多硫化物形式遷移到陽極時，就會出現問題，在那里它們會形成不溶性多硫化物。這些不溶性多硫化物在陽極上形成枝晶，會損壞電池并干擾鈉離子進入電解質的運動。此外，當電池充電時，陽極上的不溶性多硫化物不能再轉化為硫，這意味著電池可以使用的硫更少（容量損失）。正在研究如何避免穿梭效應。

純鈉存在危險，因為它與空氣和濕氣接觸會自發燃燒，因此必須保護系統免受水和氧化性氣氛的影響。

2011年9月21日清晨，由NGK制造的2000千瓦的NaS電池系統起火，該系統由東京電力公司擁有，用于儲存電力并安裝在日本三菱材料公司筑波工廠。事件發生后，NGK暫時停止了NaS電池的生產。

福特汽車公司在1960年代率先使用電池為早期型號的電動汽車提供動力。截至2009年，Ceramatec在猶他州開發了一種溫度較低的固體電極版本。他們使用NASICON膜允許在90°C下操作，所有組件都保持固態。2014年，研究人員發現了一種液態鈉銫合金，可在150°C下工作，每克產生420毫安時。該材料完全涂覆（潤濕）電解質。在100次充電/放電循環后，測試電池保持了大約97%的初始存儲容量。較低的工作溫度允許使用較便宜的聚合物外殼代替鋼，從而抵消了與使用銫相關的一些增加的成本。

NaS電池是1980年作為月光項目的一部分被MITI選為深入研究候選的四種電池類型之一。該項目旨在開發一種耐用的公用電力存儲設備，滿足以下10年項目的標準。

• 1,000千瓦級
• 額定負載下充電8小時/放電8小時
• 效率為70%或更高
• 1,500次循環或更好的使用壽命

其他三個是改進的鉛酸、氧化還原流動（釩型）和溴化鋅電池。由TEPCO（東京電力公司）和NGK（NGKInsulatorsLtd.）組成的財團于1983年宣布有興趣研究NaS電池，并從此成為開發這種類型的主要驅動力。TEPCO選擇了NaS電池，因為它的所有組成元素（鈉、硫和陶瓷）在日本都很豐富。xxx次大規模現場測試于1993年至1996年間在東京電力的Tsunashima變電站進行，使用3x2MW、6.6kV電池組。根據該試驗的結果，開發了改進的電池模塊，并于2000年投入市場。商業NaS電池組提供：

• 容量：每組25–250kWh
• 效率87%
• xxx放電深度(DOD)下2,500次循環的使用壽命，或80%DOD下4,500次循環的使用壽命

日本風電開發公司的日本三浦風電場的一個示范項目使用了NaS電池。JapanWindDevelopment于2008年5月在青森縣的二俁市開設了一個51兆瓦的風電場，其中包含一個34兆瓦的鈉硫電池系統。截至2007年，日本安裝了165兆瓦的容量。NGK在2008年宣布了一項計劃，將其NaS工廠的產量從每年90兆瓦擴大到每年150兆瓦。2010年，XcelEnergy宣布將測試基于20個50kW鈉硫電池的風電場儲能電池。該80噸、2個半掛車大小的電池預計在1MW的充電和放電速率下具有7.2MW·h的容量。從那時起，NGK宣布了幾項大規模部署，包括在2019年分布在阿聯酋10個地點的虛擬工廠，總計108兆瓦/648兆瓦時。2011年3月，住友電工和京都大學宣布，他們開發了一種低溫熔融鈉離子電池，可以在100℃以下輸出電力。這種電池的能量密度是鋰離子電池的兩倍，成本也xxx降低。住友電工代表松本正佳表示，公司計劃于2015年開始生產。最初的應用預計是建筑物和公共汽車。

絕緣體的腐蝕在惡劣的化學環境中成為一個問題，因為它們逐漸變得導電并且自放電率增加。樹突狀鈉生長也可能是一個問題。

鈉硫電池可用于支持電網，或用于獨立的可再生能源應用。在某些市場條件下，NaS電池通過能源套利（在電力充足/便宜時為電池充電，在電力更有價值時向電網放電）和電壓調節來提供價值。NaS電池是一種可能的儲能技術，可支持可再生能源發電，特別是風電場和太陽能發電廠。在風電場的情況下，電池將在風力大但電力需求低的時候儲存能量。然后可以在峰值負載期間從電池中釋放這種存儲的能量。除了這種電力轉移之外，鈉硫電池還可用于幫助穩定風電場在風力波動期間的電力輸出。這些類型的電池提供了在其他存儲選項不可行的地方進行能量存儲的選擇。例如，抽水蓄能水電設施需要大量空間和水資源，而壓縮空氣儲能(CAES)需要某種地質特征，例如鹽洞。2016年，三菱電機公司在日本福岡縣委托世界上xxx的鈉硫電池。該設施提供能量存儲，以幫助管理可再生能源高峰期的能量水平。

由于其高能量密度，NaS電池已被提議用于空間應用。鈉硫電池可以制成符合太空要求的：實際上，在航天飛機上飛行了一個測試鈉硫電池。NaS飛行實驗展示了比能量為150W·h/kg（3x鎳氫電池能量密度）的電池，工作溫度為350°C。它于1997年11月在STS-87任務中發射，并展示了10天的實驗運行。金星陸地航行漫游者任務概念也在考慮使用這種類型的電池，因為漫游者及其有效載荷被設計為在沒有冷卻系統的情況下在金星的熱表面上運行約50天。

鈉硫電池的首次大規模使用是在1991年的電動汽車原型福特Ecostar示范車上。然而，鈉硫電池的高工作溫度給電動汽車的使用帶來了困難。Ecostar從未投入生產。