钠-氯化镍动力电池潜用化国外研究综述

郭朝有，徐 海，吴雄学

（海军工程大学，武汉 430033）

钠-氯化镍动力电池潜用化国外研究综述

郭朝有，徐 海，吴雄学

（海军工程大学，武汉 430033）

介绍了钠-氯化镍动力电池的基本原理、发展现状、技术特点及其潜用化国外研究概况，指出了其潜用化需解决的问题，展望了钠-氯化镍动力电池潜用化前景。

钠-氯化镍电池 潜艇动力电池

0 引言

当前，国内外常规潜艇动力电池仍主要采用铅酸电池，但其改进和提高的空间已十分有限。随着国内外民用动力电池技术的快速发展，技术成熟度不断增加，已提出了多种有望替代铅酸电池作为常规潜艇动力电池的新型高能电池[1]。其中钠-氯化镍电池以其高能量密度、高转换效率、无记忆、无自放电、高安全特性等优点，近年来备受关注[2,3]；不仅在电动汽车上批量应用[4]，而且国外开展了大量的潜用化理论和装艇试验研究，并已有罗尔斯.罗伊斯(Rolls-Royce)公司作为动力电池应用于NATO潜艇救援艇的成功案例[5]。

1 钠-氯化镍电池概述

1.1 钠-氯化镍电池基本原理

钠-氯化镍电池由南非ZEBRA Power Systems公司的Dr.Coetyer J发明，研究开发始于20世纪80年代中期，是在钠-硫电池研制基础上发展起来的一种新型高能热电池[6]。

钠-氯化镍电池单体如图1所示，以液态金属钠为负极，氯化镍为正极，β″-Al2O3陶瓷材料为固体电解质用于隔离正负电极，NaAlCl4熔盐为液态电解质在电池充放电过程中为钠离子传导提供通道，上述材料都密封在钢壳内，组成单体电池。

钠-氯化镍电池的表达式和反应式分别为式1、2所示。

电池启用前为Ni和NaCl，首次充电时Cl从NaCl中析出，并与Ni形成NiCl2，而钠离子则通过β″-Al2O3陶瓷材料被输送到负极槽，在负极还原为金属钠。放电过程正好相反，由于钠离子可以很容易地通过β″-Al2O3陶瓷材料，而电子却不能通过，所以该反应在发生过程中不存在副反应，从而使得钠-氯化镍电池具有零自放电的特性。另外钠离子的传导率与温度成正比，为保证一定的钠离子传导率，该电池内部温度需保持在210℃～350℃的温度范围(外部环境温度可为-40℃～70℃)，300℃时其开路端电压为2.58 V。

1.2 钠-氯化镍电池发展概况

德国AEG Angto Battery CmbH、美国的Beta R and D Ltd和瑞典MES-DEA等公司至今已设计了3代钠-氯化镍电池：第1代型号为SL[7]，于1994年中试生产至1996年底，共生产134000只单电池作为台架、试车及安全评估试验，缺点是峰值功率低（70 W/kg）。第2代型号为ML，改进后功率达150 W/kg，1996年在EVS-13宣布研制成功并生产6000电池用于各种试验[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所示为MES-DEA生产的ML3G型钠-氯化镍电池单体的性能指标。另外，GE公司通过收购英国贝塔实验室，在继承其多年钠镍电池研究成果的基础上，经过不断创新，于2009年宣布研制成功并生产Durathon型钠-氯化镍电池，其性能指标如表2所示[10]。

1.3 钠-氯化镍电池技术特点

通过电动汽车上广泛试验与应用表明，钠-氯化镍电池与铅酸电池相比，其主要技术特点为：

1）能量密度高。

钠-氯化镍电池理论比能量为290 Wh/kg，实际比能已达120 Wh/kg，体积比能量已达150 Wh/l，均高于铅酸电池。从而在同等体积下，钠-氯化镍电池既减轻了重量又可储存更多的电量。

2）安全性好，可靠性高，循环寿命长。

钠-氯化镍电池通过了USABC（美国先进电池联合会）制定的极为严格的机械、热、电和振动滥用试验等4大类，冲击、摔落、滚动、贯穿、浸泡、辐射热、热稳定性、隔热损坏、过加热、热循环、短路、过充电、过放电、交流电、极端低温和滥用振动等共16项试验项目的安全考核，且具有过热状态下不会着火、爆炸等特性[11]。

目前钠-氯化镍电池试验的电池循环次数约2000次，寿命已达15年，预测寿命可达25年。钠-氯化镍电池25年故障率为10～20%，远低于铅酸电池5年内达100%的故障率。

3）无自放电，无记忆效应，放电性能好，可快速充电。

4）零排放，自带电池管理接口，维护管理简便，且具有自隔离故障电池单体功能。

2 钠-氯化镍电池潜用化国外研究概况

2.1 国外钠-氯化镍电池潜艇艇试研究进展

1998年，荷兰皇家海军对AEG Anglo Batteries公司的钠-氯化镍电池进行了潜艇装艇艇试性能测试[3]，对分别配备铅酸电池和钠-氯化镍电池的两艘潜艇进行了下述运行模式的试验：首先在通气管运行状态下对电池进行充电，充到一定值后，下潜将所充电量全部放掉，如此循环5次后，再进行短时加速使潜艇以最高航速航行，当电池容量降为总容量的80%后，潜艇转为以最低水下航速航行，直至电池容量降为总容量的20%后停止试验。试验结果如图2、3所示。

试验结果表明：

1）在通气管状态下，铅酸电池为避免过量析氢和保证较高的充电效率，每次充电其荷电状态远未到达100%，仅约80%左右；而钠-氯化镍电池每次充电其荷电状态基本接近100%。

2）装备钠-氯化镍电池的潜艇水下低速航行时间大大延长，几乎是装备铅酸电池的2倍。

该试验证明：对于潜艇应用，钠-氯化镍电池在零排放、循环寿命、充放电效率、能量密度等方面，较铅酸电池存在很大优势。

2.2 国外钠-氯化镍电池潜用化研究现状

2005～2006年，英国国防部在Rolls-Royce公司钠-氯化镍电池特性多年研究和完成钠-氯化镍电池和铅酸电池的潜用性能对比分析及综合评估的基础上，钠-氯化镍电池和铅酸电池的42 A和60 A大电流放电性能对比试验以及电池组内单体电池故障隔离性能试验等一系列试验。

试验表明：

1）高电压高电流充电对钠-氯化镍电池本体性能无明显影响，可大幅度缩短充电时间，为今后研究快速充电方法提供了实验支撑。

2）大电流放电性能钠-氯化镍电池在放电持续时间、电压变化率等方面明显优于铅酸电池。

3）钠-氯化镍电池组内单体电池的故障对电池的放电性能几乎没有影响，具有极好的单体电池故障隔离性能。

3 结论

钠-氯化镍电池具有的性能特点以及国外开展的潜用化研究均表明钠-氯化镍电池是替代铅酸电池成为今后常规潜艇动力电池的理想对象。

尽管国外开展了一系列研究，但离最终钠-氯化镍电池的装艇应用还有一定距离。还需持续开展高电压高电流充电机制、电池组配模式、短路与振动测试、电磁兼容、潜用化电池管理系统等试验和研究，以及钠-氯化镍电池潜用化安全评估与全寿命费用预估等综合评估。钠-氯化镍电池必将替代铅酸电池成为常规潜艇动力电池，从而提升潜艇动力系统性能，提高航速及续航力，增加潜艇机动能力和范围，大幅度增强潜艇战斗力。

[1] 陈新传, 宋强, 吕昊等. 锂离子电池应用于潜艇动力可行性分析[J]. 船电技术, 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：动力系统监控。