鈉－氯化鎳電池應(yīng)用于潛艇動(dòng)力系統(tǒng)的可行性分析

徐 海，郭朝有，曾凡明，吳雄學(xué)

( 海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢430033)

0 引 言

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外常規(guī)潛艇動(dòng)力電池主要采用鉛酸電池，但其存在著能量密度低、充電效率低、自放電能量損失大、循環(huán)壽命短等缺點(diǎn)，并且其改進(jìn)和提高的空間已十分有限［1］。隨著國(guó)內(nèi)外民用電池技術(shù)的發(fā)展，已提出多種可能取代鉛酸電池成為常規(guī)動(dòng)力潛艇動(dòng)力電池的新型高能電池。其中備受關(guān)注的鈉－氯化鎳電池，為世界各國(guó)首選的車用動(dòng)力電池，德國(guó)Daimler－Benz，法國(guó)Renault，意大利Fiat和美國(guó)GE 等汽車公司已裝車試用多年［2］，具有高能量密度、高轉(zhuǎn)換效率、高安全性、無(wú)記憶、壽命長(zhǎng)等特性。因此，若能在鈉－氯化鎳動(dòng)力電池車用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開展艇用化研究，將具有很大的艇用化前景。

1 鈉－氯化鎳電池概況

1.1 鈉－氯化鎳電池發(fā)展現(xiàn)狀

鈉－氯化鎳電池由南非的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［3］。至今，德國(guó)AEG Anglo Battery GmbH，美國(guó)Beta R＆D，GE和瑞典MES－DEA 等公司已設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了3 代鈉－氯化鎳電池。其中MES－DEA 公司2010年第3 代鈉－氯化鎳單體電池的產(chǎn)量為40 000個(gè)，已逐步推廣應(yīng)用于電動(dòng)汽車、電信備用電源、風(fēng)光儲(chǔ)能以及UPS 等領(lǐng)域［4］。

1.2 鈉－氯化鎳電池主要特性

與典型的動(dòng)力電池，如鉛酸電池、鎳氫金屬電池、鋰離子電池和硫化鈉電池對(duì)比，鈉－氯化鎳電池的主要特性為:

1)安全性好，可靠性高［5］

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。同時(shí)鈉－氯化鎳電池具有過(guò)熱狀態(tài)下不會(huì)著火、爆炸等特性，電池性能與周圍環(huán)境溫度完全無(wú)關(guān)，能在惡劣環(huán)境下工作，外部工作環(huán)境的溫度范圍可為－40℃～70℃［6］。

2)無(wú)自放電，充放電性能好

鈉－氯化鎳電池?zé)o自放電，過(guò)充過(guò)放電過(guò)程可逆，庫(kù)倫效率為100%，充放電時(shí)能自動(dòng)平衡電流分配，可根據(jù)容量需求由單體電池任意組合構(gòu)成電池組［7］。其次，鈉－氯化鎳電池放電特性與放電速率無(wú)關(guān)，放電量受工況影響變化小，可大電流放電;可快速充放電至額定容量(其他電池一般只達(dá)到70%～80%的額定容量)，且不帶任何副作用［6］。

3)壽命長(zhǎng)，故障率低，可自動(dòng)隔離故障單體電池，維護(hù)管理方便

鈉－氯化鎳電池的循環(huán)壽命和使用壽命長(zhǎng)，而故障率低。目前鈉－氯化鎳電池循環(huán)次數(shù)可達(dá)3 000 周次，使用壽命大于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。鈉－氯化鎳電池具有自動(dòng)隔離故障電池單體功能，每個(gè)電池模塊可自動(dòng)隔離5%～10%的故障單體電池［8］。單體電池被密封于環(huán)保鋼殼內(nèi)，免維護(hù);電池模塊通過(guò)電池管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性能監(jiān)測(cè)，方便管理人員的維護(hù)管理。

2 鈉－氯化鎳電池應(yīng)用于潛艇的可行性分析

鑒于潛艇的特殊應(yīng)用環(huán)境，鈉－氯化鎳電池替代鉛酸電池成為潛艇動(dòng)力電池須在適用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性3 方面達(dá)到如下要求:1)相同裝艇容積下總?cè)萘繎?yīng)超過(guò)現(xiàn)有鉛酸電池裝艇容量，具有更高的續(xù)航力和機(jī)動(dòng)性;2)具有更高的安全性和可靠性;3)全壽命費(fèi)用優(yōu)于鉛酸電池［1］。

2.1 鈉－氯化鎳電池艇用化適用性分析

1)鈉－氯化鎳電池艇用化可提高續(xù)航力

當(dāng)前，第3 代鈉－氯化鎳電池的性能參數(shù)如表1［9］所示，其比能量已達(dá)到119 Whkg－1，比功率可達(dá)169 Wkg－1，體積比能量已達(dá)180 WhL－1，均遠(yuǎn)高于鉛酸電池;而且一個(gè)130 L，195 kg的鈉－氯化鎳電池在任何放電率都超過(guò)一個(gè)190 L，525 kg的潛艇鉛酸電池。

表1 鈉－氯化鎳電池組的性能參數(shù)Tab.1 The performances of sodium-nickel chloride battery

2008年，Naval Architect 公司分別以鉛酸電池和鈉－氯化鎳電池作為動(dòng)力電池在一艘3 600 t 潛艇上做了續(xù)航力對(duì)比實(shí)驗(yàn)［10］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 鉛酸電池和鈉－氯化鎳電池續(xù)航力對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The endurance comparing experiment result of lead-acid battery and sodium-nickel chloride battery

電池裝艇續(xù)航力實(shí)驗(yàn)表明，20 kn 航速時(shí)鈉－氯化鎳電池的續(xù)航時(shí)間是鉛酸電池的1.86 倍，10 kn航速時(shí)為2.59 倍，而且鈉－氯化鎳電池的重量不到鉛酸電池的3/4。

因此，在同等裝艇容積下，鈉－氯化鎳電池替代鉛酸電池，將大幅度提高短時(shí)和長(zhǎng)時(shí)放電制下潛艇的續(xù)航力。

2)鈉－氯化鎳電池艇用化可提高機(jī)動(dòng)性

鈉－氯化鎳電池可高電壓大電流快速充電，30 min可充入50%的電容量，75 min 可充入80%［11］。同時(shí)也可大電流快速放電，5 min 輸出功率可達(dá)30 kW，30 min輸出功率可達(dá)20 kW，2 h 放電能量可達(dá)18 kWh［8］。

2005－2006年，英國(guó)國(guó)防部開展了鈉－氯化鎳電池多電壓多電流模式浮充、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)［12］。試驗(yàn)表明:

1)高電壓大電流充電對(duì)鈉－氯化鎳電池本體性能無(wú)明顯影響，可采用高電壓大電流充電方式實(shí)現(xiàn)快速充電，大幅度縮短充電時(shí)間。

2)大電流放電鈉－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。

因此，潛艇采用鈉－氯化鎳電池作為動(dòng)力電池可擁有更快的反應(yīng)速度，更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，更低的暴露率。

2.2 鈉－氯化鎳電池艇用化安全性分析

鈉－氯化鎳電池因其特有的內(nèi)部工作機(jī)理和結(jié)構(gòu)組成，使其擁有化學(xué)反應(yīng)保護(hù)機(jī)制、單體電池殼體保護(hù)機(jī)制、絕熱箱體保護(hù)機(jī)制、電池管理系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制等4 重安全保護(hù)機(jī)制，確保了其高安全性和可靠性［8］。

1)化學(xué)反應(yīng)保護(hù)機(jī)制

當(dāng)鈉－氯化鎳電池充電至荷電狀態(tài)SOC ＞98%，若持續(xù)施加一正向電壓將導(dǎo)致電池過(guò)充;反之，若放電至荷電狀態(tài)SOC ＜5%，若持續(xù)對(duì)外放電將導(dǎo)致電池過(guò)放［13］。

鈉－氯化鎳電池過(guò)充時(shí)，正極中的NaCl 經(jīng)正常充電反應(yīng)已全部耗盡，正極中過(guò)剩的Ni和NaAlCl4熔鹽電解質(zhì)將發(fā)生如式(1)所示反應(yīng)。過(guò)充電反應(yīng)發(fā)生在比正常充電更高的電位，當(dāng)電池的開路電壓等于充電器電壓時(shí)，充電電流會(huì)自動(dòng)中斷，起到良好的保護(hù)電池作用。

而電池過(guò)放時(shí)，正極中NiCl2經(jīng)正常放電反應(yīng)已全部耗盡，正極中還存在過(guò)剩的Na和NaAlCl4熔鹽電解質(zhì)將發(fā)生如式(2)所示反應(yīng)。過(guò)放電反應(yīng)發(fā)生在比正常充電更低的電位，該反應(yīng)能為電池過(guò)放電時(shí)在低電壓下保持一定的放電電流。

詳細(xì)的鈉－氯化鎳電池在不同充放電狀態(tài)下的反應(yīng)如圖3所示。由此可見(jiàn)，在電池發(fā)生過(guò)充過(guò)放電反應(yīng)的過(guò)程中，NaAlCl4熔鹽電解質(zhì)可起到一個(gè)非常有效的緩沖保護(hù)作用，即鈉－氯化鎳電池本身就具備過(guò)充過(guò)放電保護(hù)能力。

圖1 鈉－氯化鎳電池在不同充放電狀態(tài)下的化學(xué)反應(yīng)Fig.1 The chemical reactions of sodium-nickel chloride battery in different charge/discharge states

2)單體電池殼體保護(hù)機(jī)制

鈉－氯化鎳電池在機(jī)械濫用(包括沖擊、摔落、滾動(dòng)、貫穿、浸泡等)時(shí)，最大安全問(wèn)題是其β″－Al2O3陶瓷破裂，導(dǎo)致電池正負(fù)極直接接觸而短路。

每個(gè)鈉－氯化鎳單體電池的殼體是由鋼和玻璃焊接密封熱壓縮粘結(jié)而成，內(nèi)部可承受高達(dá)900℃溫度［8］。即使鈉－氯化鎳電池受到了嚴(yán)重的機(jī)械損傷，甚至內(nèi)部的β″－Al2O3陶瓷破裂，由鋼構(gòu)造的電池外殼只是變形但仍保持密閉，電池內(nèi)部的高溫液態(tài)物質(zhì)不會(huì)泄漏。

當(dāng)β″－Al2O3陶瓷破裂時(shí)，電池內(nèi)部熔融Na與NaAlCl4熔鹽電解質(zhì)直接接觸發(fā)生如反應(yīng)式(2)所示化學(xué)反應(yīng)，從而將熔融Na 經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成NaCl，避免了Na與氧氣接觸發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)的潛在危險(xiǎn)。

而且反應(yīng)式(2)的理論比能量?jī)H為650 Whkg－1，是鈉－氯化鎳電池正常放電反應(yīng)式的理論比能量(788 Whkg－1)的82%，也不會(huì)導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀?3］。

因此，鈉－氯化鎳電池能保證沖擊、摔落、滾動(dòng)、貫穿、浸泡等機(jī)械濫用下安全無(wú)事故，在短路情況下無(wú)泄漏。

3)絕熱箱體保護(hù)機(jī)制

電池組被密封于一雙層鋼殼結(jié)構(gòu)的箱體中，且雙層鋼殼間用低密度(0.2 g /cm3)、高熱穩(wěn)定性(1000℃)的SiO2隔熱泡沫填充，從而使電池單體與環(huán)境間的熱傳導(dǎo)為0.005 w/mK (雙層殼體間為真空時(shí))和0.02 w/mK (雙層殼體間為非真空時(shí))［13］。因此鈉－氯化鎳電池借助電池封裝設(shè)計(jì)，保證了在輻射熱、熱穩(wěn)定性、隔熱損壞、過(guò)加熱、熱循環(huán)等熱濫用下能可靠工作。同時(shí)鋼殼可保證在50 km/h的碰撞沖擊下無(wú)嚴(yán)重變形，在摔落、滾動(dòng)等機(jī)械濫用條件下內(nèi)部單體電池的安全工作。

4)電池管理系統(tǒng)保護(hù)機(jī)制

電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和顯示電池組的溫度、電壓、電流和荷電狀態(tài)等工作狀態(tài)，可以控制充放電電流，防止出現(xiàn)過(guò)充過(guò)放電現(xiàn)象，可以故障報(bào)警，還可保存數(shù)據(jù)以備故障診斷和后續(xù)研究，為鈉－氯化鎳電池提供全方位的保障。

鈉－氯化鎳電池的4 重保護(hù)機(jī)制是它能夠通過(guò)USABC 考核的主要因素。1997－1998年，ZEBRA公司對(duì)其生產(chǎn)的鈉－氯化鎳電池專門按照USABC 制定的世界通用的電池安全使用考核標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了電池系列濫用試驗(yàn)，考核分機(jī)械、熱、電和振動(dòng)濫用試驗(yàn)4 大類共16個(gè)項(xiàng)目，如表3所示［2］。

表3 鈉－氯化鎳電池的電池濫用試驗(yàn)及考核結(jié)果Tab.3 The battery abuse tests and results of sodium-nickel chloride battery

從表3 中所列的試驗(yàn)考核結(jié)果來(lái)看，鈉－氯化鎳電池完全通過(guò)了USABC 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16 項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目的安全考核，是一型具有極高安全性能的動(dòng)力電池，滿足潛艇動(dòng)力電池安全性要求。

2.3 鈉－氯化鎳電池艇用化經(jīng)濟(jì)性分析

目前市場(chǎng)上鉛酸電池售價(jià)為105～175 美元/kWh，鈉－氯化鎳電池售價(jià)為70～270 美元/kWh。2003年，MES－DEA 公司的研究顯示［11］，當(dāng)鈉－氯化鎳電池年產(chǎn)量為10 000個(gè)時(shí)售價(jià)為240 美元/kWh，年產(chǎn)量為100 000個(gè)時(shí)售價(jià)可降到109 美元/kWh，即當(dāng)年產(chǎn)量為100 000個(gè)時(shí)，售價(jià)將與鉛酸電池相當(dāng)。鈉－氯化鎳電池在其全壽命過(guò)程中故障率低，維修費(fèi)用低，后期投入遠(yuǎn)比鉛酸電池低得多;同時(shí)鈉－氯化鎳電池的使用壽命和循環(huán)壽命都比鉛酸電池長(zhǎng)，進(jìn)一步降低了鈉－氯化鎳電池的全壽命費(fèi)用。

3 結(jié) 語(yǔ)

電池特性的理論分析以及國(guó)外開展的相關(guān)研究均表明鈉－氯化鎳電池滿足艇用化的適用性、安全性和經(jīng)濟(jì)性要求，替代鉛酸電池作為潛艇動(dòng)力電池完全可行。

為實(shí)現(xiàn)鈉－氯化鎳電池的裝艇應(yīng)用，今后尚需在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、快速預(yù)熱和艇用化電池管理系統(tǒng)等方面持續(xù)開展試驗(yàn)和研究。

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