郭朝有，徐 海，吳雄學(xué)

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

鈉-氯化鎳動(dòng)力電池潛用化國(guó)外研究綜述

郭朝有，徐 海，吳雄學(xué)

（海軍工程大學(xué)，武漢 430033）

介紹了鈉-氯化鎳動(dòng)力電池的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)及其潛用化國(guó)外研究概況，指出了其潛用化需解決的問(wèn)題，展望了鈉-氯化鎳動(dòng)力電池潛用化前景。

鈉-氯化鎳電池 潛艇動(dòng)力電池

0 引言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外常規(guī)潛艇動(dòng)力電池仍主要采用鉛酸電池，但其改進(jìn)和提高的空間已十分有限。隨著國(guó)內(nèi)外民用動(dòng)力電池技術(shù)的快速發(fā)展，技術(shù)成熟度不斷增加，已提出了多種有望替代鉛酸電池作為常規(guī)潛艇動(dòng)力電池的新型高能電池[1]。其中鈉-氯化鎳電池以其高能量密度、高轉(zhuǎn)換效率、無(wú)記憶、無(wú)自放電、高安全特性等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)備受關(guān)注[2,3]；不僅在電動(dòng)汽車上批量應(yīng)用[4]，而且國(guó)外開展了大量的潛用化理論和裝艇試驗(yàn)研究，并已有羅爾斯.羅伊斯(Rolls-Royce)公司作為動(dòng)力電池應(yīng)用于NATO潛艇救援艇的成功案例[5]。

1 鈉-氯化鎳電池概述

1.1 鈉-氯化鎳電池基本原理

鈉-氯化鎳電池由南非ZEBRA Power Systems公司的Dr.Coetyer J發(fā)明，研究開發(fā)始于20世紀(jì)80年代中期，是在鈉-硫電池研制基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型高能熱電池[6]。

鈉-氯化鎳電池單體如圖1所示，以液態(tài)金屬鈉為負(fù)極，氯化鎳為正極，β″-Al2O3陶瓷材料為固體電解質(zhì)用于隔離正負(fù)電極，NaAlCl4熔鹽為液態(tài)電解質(zhì)在電池充放電過(guò)程中為鈉離子傳導(dǎo)提供通道，上述材料都密封在鋼殼內(nèi)，組成單體電池。

鈉-氯化鎳電池的表達(dá)式和反應(yīng)式分別為式1、2所示。

電池啟用前為Ni和NaCl，首次充電時(shí)Cl從NaCl中析出，并與Ni形成NiCl2，而鈉離子則通過(guò)β″-Al2O3陶瓷材料被輸送到負(fù)極槽，在負(fù)極還原為金屬鈉。放電過(guò)程正好相反，由于鈉離子可以很容易地通過(guò)β″-Al2O3陶瓷材料，而電子卻不能通過(guò)，所以該反應(yīng)在發(fā)生過(guò)程中不存在副反應(yīng)，從而使得鈉-氯化鎳電池具有零自放電的特性。另外鈉離子的傳導(dǎo)率與溫度成正比，為保證一定的鈉離子傳導(dǎo)率，該電池內(nèi)部溫度需保持在210℃～350℃的溫度范圍(外部環(huán)境溫度可為-40℃～70℃)，300℃時(shí)其開路端電壓為2.58 V。

1.2 鈉-氯化鎳電池發(fā)展概況

德國(guó)AEG Angto Battery CmbH、美國(guó)的Beta R and D Ltd和瑞典MES-DEA等公司至今已設(shè)計(jì)了3代鈉-氯化鎳電池：第1代型號(hào)為SL[7]，于1994年中試生產(chǎn)至1996年底，共生產(chǎn)134000只單電池作為臺(tái)架、試車及安全評(píng)估試驗(yàn)，缺點(diǎn)是峰值功率低（70 W/kg）。第2代型號(hào)為ML，改進(jìn)后功率達(dá)150 W/kg，1996年在EVS-13宣布研制成功并生產(chǎn)6000電池用于各種試驗(yàn)[8]。第3代1997年在EVS-14宣布，功率＞250 W/kg，比能量＞100 Wh/kg[9]。其中表1所示為MES-DEA生產(chǎn)的ML3G型鈉-氯化鎳電池單體的性能指標(biāo)。另外，GE公司通過(guò)收購(gòu)英國(guó)貝塔實(shí)驗(yàn)室，在繼承其多年鈉鎳電池研究成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)不斷創(chuàng)新，于2009年宣布研制成功并生產(chǎn)Durathon型鈉-氯化鎳電池，其性能指標(biāo)如表2所示[10]。

1.3 鈉-氯化鎳電池技術(shù)特點(diǎn)

通過(guò)電動(dòng)汽車上廣泛試驗(yàn)與應(yīng)用表明，鈉-氯化鎳電池與鉛酸電池相比，其主要技術(shù)特點(diǎn)為：

1）能量密度高。

鈉-氯化鎳電池理論比能量為290 Wh/kg，實(shí)際比能已達(dá)120 Wh/kg，體積比能量已達(dá)150 Wh/l，均高于鉛酸電池。從而在同等體積下，鈉-氯化鎳電池既減輕了重量又可儲(chǔ)存更多的電量。

2）安全性好，可靠性高，循環(huán)壽命長(zhǎng)。

鈉-氯化鎳電池通過(guò)了USABC（美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合會(huì)）制定的極為嚴(yán)格的機(jī)械、熱、電和振動(dòng)濫用試驗(yàn)等4大類，沖擊、摔落、滾動(dòng)、貫穿、浸泡、輻射熱、熱穩(wěn)定性、隔熱損壞、過(guò)加熱、熱循環(huán)、短路、過(guò)充電、過(guò)放電、交流電、極端低溫和濫用振動(dòng)等共16項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目的安全考核，且具有過(guò)熱狀態(tài)下不會(huì)著火、爆炸等特性[11]。

目前鈉-氯化鎳電池試驗(yàn)的電池循環(huán)次數(shù)約2000次，壽命已達(dá)15年，預(yù)測(cè)壽命可達(dá)25年。鈉-氯化鎳電池25年故障率為10～20%，遠(yuǎn)低于鉛酸電池5年內(nèi)達(dá)100%的故障率。

3）無(wú)自放電，無(wú)記憶效應(yīng)，放電性能好，可快速充電。

4）零排放，自帶電池管理接口，維護(hù)管理簡(jiǎn)便，且具有自隔離故障電池單體功能。

2 鈉-氯化鎳電池潛用化國(guó)外研究概況

2.1 國(guó)外鈉-氯化鎳電池潛艇艇試研究進(jìn)展

1998年，荷蘭皇家海軍對(duì)AEG Anglo Batteries公司的鈉-氯化鎳電池進(jìn)行了潛艇裝艇艇試性能測(cè)試[3]，對(duì)分別配備鉛酸電池和鈉-氯化鎳電池的兩艘潛艇進(jìn)行了下述運(yùn)行模式的試驗(yàn)：首先在通氣管運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)電池進(jìn)行充電，充到一定值后，下潛將所充電量全部放掉，如此循環(huán)5次后，再進(jìn)行短時(shí)加速使?jié)撏б宰罡吆剿俸叫?，?dāng)電池容量降為總?cè)萘康?0%后，潛艇轉(zhuǎn)為以最低水下航速航行，直至電池容量降為總?cè)萘康?0%后停止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）在通氣管狀態(tài)下，鉛酸電池為避免過(guò)量析氫和保證較高的充電效率，每次充電其荷電狀態(tài)遠(yuǎn)未到達(dá)100%，僅約80%左右；而鈉-氯化鎳電池每次充電其荷電狀態(tài)基本接近100%。

2）裝備鈉-氯化鎳電池的潛艇水下低速航行時(shí)間大大延長(zhǎng)，幾乎是裝備鉛酸電池的2倍。

該試驗(yàn)證明：對(duì)于潛艇應(yīng)用，鈉-氯化鎳電池在零排放、循環(huán)壽命、充放電效率、能量密度等方面，較鉛酸電池存在很大優(yōu)勢(shì)。

2.2 國(guó)外鈉-氯化鎳電池潛用化研究現(xiàn)狀

2005～2006年，英國(guó)國(guó)防部在Rolls-Royce公司鈉-氯化鎳電池特性多年研究和完成鈉-氯化鎳電池和鉛酸電池的潛用性能對(duì)比分析及綜合評(píng)估的基礎(chǔ)上，鈉-氯化鎳電池和鉛酸電池的42 A和60 A大電流放電性能對(duì)比試驗(yàn)以及電池組內(nèi)單體電池故障隔離性能試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)。

試驗(yàn)表明：

1）高電壓高電流充電對(duì)鈉-氯化鎳電池本體性能無(wú)明顯影響，可大幅度縮短充電時(shí)間，為今后研究快速充電方法提供了實(shí)驗(yàn)支撐。

2）大電流放電性能鈉-氯化鎳電池在放電持續(xù)時(shí)間、電壓變化率等方面明顯優(yōu)于鉛酸電池。

3）鈉-氯化鎳電池組內(nèi)單體電池的故障對(duì)電池的放電性能幾乎沒(méi)有影響，具有極好的單體電池故障隔離性能。

3 結(jié)論

鈉-氯化鎳電池具有的性能特點(diǎn)以及國(guó)外開展的潛用化研究均表明鈉-氯化鎳電池是替代鉛酸電池成為今后常規(guī)潛艇動(dòng)力電池的理想對(duì)象。

盡管國(guó)外開展了一系列研究，但離最終鈉-氯化鎳電池的裝艇應(yīng)用還有一定距離。還需持續(xù)開展高電壓高電流充電機(jī)制、電池組配模式、短路與振動(dòng)測(cè)試、電磁兼容、潛用化電池管理系統(tǒng)等試驗(yàn)和研究，以及鈉-氯化鎳電池潛用化安全評(píng)估與全壽命費(fèi)用預(yù)估等綜合評(píng)估。鈉-氯化鎳電池必將替代鉛酸電池成為常規(guī)潛艇動(dòng)力電池，從而提升潛艇動(dòng)力系統(tǒng)性能，提高航速及續(xù)航力，增加潛艇機(jī)動(dòng)能力和范圍，大幅度增強(qiáng)潛艇戰(zhàn)斗力。

[1] 陳新傳, 宋強(qiáng), 呂昊等. 鋰離子電池應(yīng)用于潛艇動(dòng)力可行性分析[J]. 船電技術(shù), 2011, 31(6)：18-20.

[2] Dustmann C H. Advances in ZEBRA batteries[J]. Journal of Power Sources, 2004, 127：85-92.

[3] J.L.Sudworth. The sodium/nickel choride (ZEBRA) battery[J]. Journal of Power Sources, 2001, 100：149-163.

[4] Juan Dixon. Electric vehicle using a combination of ultracapacitors and ZEBRA battery[J]. IEEE transactions on industrial electronics, 2010, 57(3)：943-949.

Review on Sodium-Nickel Chloride Batteries for Submarine Power System

Guo Chaoyou，Xu Hai，Wu Xiongxue

(Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

The basic principle, development status and technical characteristics of the sodium-nickel chloride battery are introduced. Based on these, the problems about the sodium-nickel chloride battery applied on the submarine power are discussed, and the future applications and development of sodium-nickel chloride battery in submarine power system are proposed.

sodium-nickel chloride battery; submarine power battery

TM911

A

1003-4862（2013）09-0036-03

2012-12-13

郭朝有(1976-)，博士，副教授。研究方向：動(dòng)力系統(tǒng)監(jiān)控。