鈉-氯化鎳動力電池潛用化國外研究綜述

郭朝有，徐 海，吳雄學

（海軍工程大學，武漢 430033）

鈉-氯化鎳動力電池潛用化國外研究綜述

郭朝有，徐 海，吳雄學

（海軍工程大學，武漢 430033）

介紹了鈉-氯化鎳動力電池的基本原理、發展現狀、技術特點及其潛用化國外研究概況，指出了其潛用化需解決的問題，展望了鈉-氯化鎳動力電池潛用化前景。

鈉-氯化鎳電池 潛艇動力電池

0 引言

當前，國內外常規潛艇動力電池仍主要采用鉛酸電池，但其改進和提高的空間已十分有限。隨著國內外民用動力電池技術的快速發展，技術成熟度不斷增加，已提出了多種有望替代鉛酸電池作為常規潛艇動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、高轉換效率、無記憶、無自放電、高安全特性等優點，近年來備受關注[2,3]；不僅在電動汽車上批量應用[4]，而且國外開展了大量的潛用化理論和裝艇試驗研究，并已有羅爾斯.羅伊斯(Rolls-Royce)公司作為動力電池應用于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發明，研究開發始于20世紀80年代中期，是在鈉-硫電池研制基礎上發展起來的一種新型高能熱電池[6]。

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

鈉-氯化鎳電池的表達式和反應式分別為式1、2所示。

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

1.2 鈉-氯化鎳電池發展概況

德國AEG Angto Battery CmbH、美國的Beta R and D Ltd和瑞典MES-DEA等公司至今已設計了3代鈉-氯化鎳電池：第1代型號為SL[7]，于1994年中試生產至1996年底，共生產134000只單電池作為臺架、試車及安全評估試驗，缺點是峰值功率低（70 W/kg）。第2代型號為ML，改進后功率達150 W/kg，1996年在EVS-13宣布研制成功并生產6000電池用于各種試驗[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生產的ML3G型鈉-氯化鎳電池單體的性能指標。另外，GE公司通過收購英國貝塔實驗室，在繼承其多年鈉鎳電池研究成果的基礎上，經過不斷創新，于2009年宣布研制成功并生產Durathon型鈉-氯化鎳電池，其性能指標如表2所示[10]。

1.3 鈉-氯化鎳電池技術特點

通過電動汽車上廣泛試驗與應用表明，鈉-氯化鎳電池與鉛酸電池相比，其主要技術特點為：

1）能量密度高。

鈉-氯化鎳電池理論比能量為290 Wh/kg，實際比能已達120 Wh/kg，體積比能量已達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存更多的電量。

2）安全性好，可靠性高，循環壽命長。

鈉-氯化鎳電池通過了USABC（美國先進電池聯合會）制定的極為嚴格的機械、熱、電和振動濫用試驗等4大類，沖擊、摔落、滾動、貫穿、浸泡、輻射熱、熱穩定性、隔熱損壞、過加熱、熱循環、短路、過充電、過放電、交流電、極端低溫和濫用振動等共16項試驗項目的安全考核，且具有過熱狀態下不會著火、爆炸等特性[11]。

目前鈉-氯化鎳電池試驗的電池循環次數約2000次，壽命已達15年，預測壽命可達25年。鈉-氯化鎳電池25年故障率為10～20%，遠低于鉛酸電池5年內達100%的故障率。

3）無自放電，無記憶效應，放電性能好，可快速充電。

4）零排放，自帶電池管理接口，維護管理簡便，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外研究概況

2.1 國外鈉-氯化鎳電池潛艇艇試研究進展

1998年，荷蘭皇家海軍對AEG Anglo Batteries公司的鈉-氯化鎳電池進行了潛艇裝艇艇試性能測試[3]，對分別配備鉛酸電池和鈉-氯化鎳電池的兩艘潛艇進行了下述運行模式的試驗：首先在通氣管運行狀態下對電池進行充電，充到一定值后，下潛將所充電量全部放掉，如此循環5次后，再進行短時加速使潛艇以最高航速航行，當電池容量降為總容量的80%后，潛艇轉為以最低水下航速航行，直至電池容量降為總容量的20%后停止試驗。試驗結果如圖2、3所示。

試驗結果表明：

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

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

該試驗證明：對于潛艇應用，鈉-氯化鎳電池在零排放、循環壽命、充放電效率、能量密度等方面，較鉛酸電池存在很大優勢。

2.2 國外鈉-氯化鎳電池潛用化研究現狀

2005～2006年，英國國防部在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比分析及綜合評估的基礎上，鈉-氯化鎳電池和鉛酸電池的42 A和60 A大電流放電性能對比試驗以及電池組內單體電池故障隔離性能試驗等一系列試驗。

試驗表明：

1）高電壓高電流充電對鈉-氯化鎳電池本體性能無明顯影響，可大幅度縮短充電時間，為今后研究快速充電方法提供了實驗支撐。

2）大電流放電性能鈉-氯化鎳電池在放電持續時間、電壓變化率等方面明顯優于鉛酸電池。

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

3 結論

鈉-氯化鎳電池具有的性能特點以及國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潛艇動力電池的理想對象。

盡管國外開展了一系列研究，但離最終鈉-氯化鎳電池的裝艇應用還有一定距離。還需持續開展高電壓高電流充電機制、電池組配模式、短路與振動測試、電磁兼容、潛用化電池管理系統等試驗和研究，以及鈉-氯化鎳電池潛用化安全評估與全壽命費用預估等綜合評估。鈉-氯化鎳電池必將替代鉛酸電池成為常規潛艇動力電池，從而提升潛艇動力系統性能，提高航速及續航力，增加潛艇機動能力和范圍，大幅度增強潛艇戰斗力。

[1] 陳新傳, 宋強, 呂昊等. 鋰離子電池應用于潛艇動力可行性分析[J]. 船電技術, 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：動力系統監控。