徐 海，郭朝有，曾凡明，吳雄學

( 海軍工程大學 動力工程學院，湖北 武漢430033)

0 引 言

當前，國內(nèi)外常規(guī)潛艇動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，并且其改進和提高的空間已十分有限［1］。隨著國內(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)動力潛艇動力電池的新型高能電池。其中備受關(guān)注的鈉－氯化鎳電池，為世界各國首選的車用動力電池，德國Daimler－Benz，法國Renault，意大利Fiat和美國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、無記憶、壽命長等特性。因此，若能在鈉－氯化鎳動力電池車用技術(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80年代中期，是在鈉－硫電池研制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型高能熱電池［3］。至今，德國AEG Anglo Battery GmbH，美國Beta R＆D，GE和瑞典MES－DEA 等公司已設(shè)計和生產(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，已逐步推廣應(yīng)用于電動汽車、電信備用電源、風光儲能以及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－氯化鎳電池通過了USABC (美國先進電池聯(lián)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(wěn)定性、隔熱損壞、過加熱、熱循環(huán)、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。同時鈉－氯化鎳電池具有過熱狀態(tài)下不會著火、爆炸等特性，電池性能與周圍環(huán)境溫度完全無關(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)無自放電，充放電性能好

鈉－氯化鎳電池無自放電，過充過放電過程可逆，庫倫效率為100%，充放電時能自動平衡電流分配，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(其他電池一般只達到70%～80%的額定容量)，且不帶任何副作用［6］。

3)壽命長，故障率低，可自動隔離故障單體電池，維護管理方便

鈉－氯化鎳電池的循環(huán)壽命和使用壽命長，而故障率低。目前鈉－氯化鎳電池循環(huán)次數(shù)可達3 000 周次，使用壽命大于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(nèi)達100%的故障率。鈉－氯化鎳電池具有自動隔離故障電池單體功能，每個電池模塊可自動隔離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;電池模塊通過電池管理系統(tǒng)可實現(xiàn)實時性能監(jiān)測，方便管理人員的維護管理。

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力電池須在適用性、安全性和經(jīng)濟性3 方面達到如下要求:1)相同裝艇容積下總?cè)萘繎?yīng)超過現(xiàn)有鉛酸電池裝艇容量，具有更高的續(xù)航力和機動性;2)具有更高的安全性和可靠性;3)全壽命費用優(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，其比能量已達到119 Whkg－1，比功率可達169 Wkg－1，體積比能量已達180 WhL－1，均遠高于鉛酸電池;而且一個130 L，195 kg的鈉－氯化鎳電池在任何放電率都超過一個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－氯化鎳電池作為動力電池在一艘3 600 t 潛艇上做了續(xù)航力對比實驗［10］，實驗結(jié)果如表2所示。

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

電池裝艇續(xù)航力實驗表明，20 kn 航速時鈉－氯化鎳電池的續(xù)航時間是鉛酸電池的1.86 倍，10 kn航速時為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，將大幅度提高短時和長時放電制下潛艇的續(xù)航力。

2)鈉－氯化鎳電池艇用化可提高機動性

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］。同時也可大電流快速放電，5 min 輸出功率可達30 kW，30 min輸出功率可達20 kW，2 h 放電能量可達18 kWh［8］。

2005－2006年，英國國防部開展了鈉－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 大電流放電性能對比試驗以及電池組內(nèi)單體電池故障隔離性能試驗等一系列試驗［12］。試驗表明:

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

2)大電流放電鈉－氯化鎳電池在放電持續(xù)時間、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。

因此，潛艇采用鈉－氯化鎳電池作為動力電池可擁有更快的反應(yīng)速度，更強的機動性，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)部工作機理和結(jié)構(gòu)組成，使其擁有化學反應(yīng)保護機制、單體電池殼體保護機制、絕熱箱體保護機制、電池管理系統(tǒng)保護機制等4 重安全保護機制，確保了其高安全性和可靠性［8］。

1)化學反應(yīng)保護機制

當鈉－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致電池過充;反之，若放電至荷電狀態(tài)SOC ＜5%，若持續(xù)對外放電將導致電池過放［13］。

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

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

詳細的鈉－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，在電池發(fā)生過充過放電反應(yīng)的過程中，NaAlCl4熔鹽電解質(zhì)可起到一個非常有效的緩沖保護作用，即鈉－氯化鎳電池本身就具備過充過放電保護能力。

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

2)單體電池殼體保護機制

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

每個鈉－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900℃溫度［8］。即使鈉－氯化鎳電池受到了嚴重的機械損傷，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)不會泄漏。

當β″－Al2O3陶瓷破裂時，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)所示化學反應(yīng)，從而將熔融Na 經(jīng)化學反應(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。

而且反應(yīng)式(2)的理論比能量僅為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%，也不會導致電池熱失控［13］。

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

3)絕熱箱體保護機制

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)境間的熱傳導為0.005 w/mK (雙層殼體間為真空時)和0.02 w/mK (雙層殼體間為非真空時)［13］。因此鈉－氯化鎳電池借助電池封裝設(shè)計，保證了在輻射熱、熱穩(wěn)定性、隔熱損壞、過加熱、熱循環(huán)等熱濫用下能可靠工作。同時鋼殼可保證在50 km/h的碰撞沖擊下無嚴重變形，在摔落、滾動等機械濫用條件下內(nèi)部單體電池的安全工作。

4)電池管理系統(tǒng)保護機制

電池管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測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)過充過放電現(xiàn)象，可以故障報警，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 重保護機制是它能夠通過USABC 考核的主要因素。1997－1998年，ZEBRA公司對其生產(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準進行了電池系列濫用試驗，考核分機械、熱、電和振動濫用試驗4 大類共16個項目，如表3所示［2］。

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

從表3 中所列的試驗考核結(jié)果來看，鈉－氯化鎳電池完全通過了USABC 制定的極為嚴格的機械、熱、電和振動濫用試驗等4 大類16 項試驗項目的安全考核，是一型具有極高安全性能的動力電池，滿足潛艇動力電池安全性要求。

2.3 鈉－氯化鎳電池艇用化經(jīng)濟性分析

目前市場上鉛酸電池售價為105～175 美元/kWh，鈉－氯化鎳電池售價為70～270 美元/kWh。2003年，MES－DEA 公司的研究顯示［11］，當鈉－氯化鎳電池年產(chǎn)量為10 000個時售價為240 美元/kWh，年產(chǎn)量為100 000個時售價可降到109 美元/kWh，即當年產(chǎn)量為100 000個時，售價將與鉛酸電池相當。鈉－氯化鎳電池在其全壽命過程中故障率低，維修費用低，后期投入遠比鉛酸電池低得多;同時鈉－氯化鎳電池的使用壽命和循環(huán)壽命都比鉛酸電池長，進一步降低了鈉－氯化鎳電池的全壽命費用。

3 結(jié) 語

電池特性的理論分析以及國外開展的相關(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)濟性要求，替代鉛酸電池作為潛艇動力電池完全可行。

為實現(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制、電池組配模式、短路與振動測試、快速預熱和艇用化電池管理系統(tǒng)等方面持續(xù)開展試驗和研究。

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