GE運(yùn)輸系統(tǒng)集團(tuán)Du rathon鈉鎳電池

本刊 賈旭平

日前，GE運(yùn)輸系統(tǒng)集團(tuán)經(jīng)過(guò)精心準(zhǔn)備，將在中國(guó)首發(fā)其高端產(chǎn)品-Durathon（鈉鎳電池）。

Durathon電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理

GE的鈉鎳電池以氯化鎳為正極，β-氧化鋁為隔膜，液態(tài)鈉為負(fù)極。充電時(shí)，Cl從NaCl中析出，并與Ni形成NiCl2,然后鈉離子通過(guò)β-氧化鋁被輸送到負(fù)極槽。放電正好是這一過(guò)程的反向。由于鈉離子可以很容易地通過(guò)β-氧化鋁，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)，因此使得制成的電池也沒(méi)有自放電。電池的所有材料都存儲(chǔ)在密封鋼殼內(nèi)，組成單體電池。然后，單體電池組合成具有熱絕緣性能的電池模塊。每個(gè)電池模塊還集成有電池管理系統(tǒng)，來(lái)控制充放電，監(jiān)測(cè)電池的各項(xiàng)參數(shù)，并提供電池保護(hù)功能，再通過(guò)通用Modbus協(xié)議將信息傳遞給外界。圖1為鈉鎳電池的原理圖

圖1 鈉鎳電池的原理圖

Durathon電池的特性

Durathon不僅僅是一個(gè)電池,它是一個(gè)完整的能量存儲(chǔ)模塊，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，因此無(wú)需第三方電池監(jiān)控設(shè)備。Durathon可非常容易地被集成到能量存儲(chǔ)系統(tǒng)中，并與電力設(shè)備完全兼容。由于具有創(chuàng)新模塊化的設(shè)計(jì)，所以Durathon電池模塊可進(jìn)行并聯(lián)，以提供所需的電力。Durathon具有非常強(qiáng)健的失效-安全設(shè)計(jì)，所以一旦某個(gè)單體電池出現(xiàn)失效現(xiàn)象，整個(gè)電池組也能正常工作，只是電池組的電壓與之前比較，可能稍微降低一些。Durathon電池具有如下特點(diǎn)：

● 能量密度：Durathon電池的質(zhì)量比能量為115 Wh/kg，體積比能量為160Wh/L，因此它是目前使用的比能量較高的電池之一，其質(zhì)量比能量是鉛酸電池的四倍。

● 溫度特性：Durathon電池可在－20～60℃溫度下工作，對(duì)性能或循環(huán)壽命沒(méi)有不利影響，這就意味著在大多數(shù)應(yīng)用情況下不需要加熱或空調(diào)系統(tǒng)。

● 長(zhǎng)壽命：儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)達(dá)20多年，2小時(shí)率，80%放電深度，循環(huán)壽命大于3000次。

● 環(huán)保：Durathon電池的制造材料儲(chǔ)量豐富，具有多種供應(yīng)源。這些材料價(jià)格低廉、無(wú)毒、可完全循環(huán)利用，零排放。

GE選擇Durathon電池進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化

從2004-2006年，GE考察了多種儲(chǔ)能電池，經(jīng)過(guò)慎重考慮，并結(jié)合能量?jī)?chǔ)存，安全和環(huán)保的充分考慮，最終選定鈉鎳電池作為GE進(jìn)入移動(dòng)和儲(chǔ)能領(lǐng)域的主攻方向。2007年，GE收購(gòu)了英國(guó)貝塔實(shí)驗(yàn)室。貝塔實(shí)驗(yàn)室是鈉鎳電池的領(lǐng)先開(kāi)發(fā)者，擁有30多年鈉鎳電池研究經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)幾十年的研究，貝塔實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)證明了該技術(shù)的耐用性。GE在收購(gòu)貝塔實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)之后，再結(jié)合自己在研發(fā)方面的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過(guò)兩年多的不斷創(chuàng)新，2009年，GE決定將Durathon電池推進(jìn)到產(chǎn)業(yè)化階段，并加速其在移動(dòng)和固定儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用。

GE之所以選擇鈉鎳電池作為其進(jìn)入移動(dòng)和和儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展方向，主要是這種儲(chǔ)能電池技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：首先，電池質(zhì)量比能量高，達(dá)150～200Wh/L，傳統(tǒng)儲(chǔ)能電池從技術(shù)、材料、工藝、包裝到最后的成品，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)最終產(chǎn)品有不同程度的能量損耗，而GE的成品在此前提下依舊可以保持很高的能量密度，這是目前傳統(tǒng)電池企業(yè)難以達(dá)到的技術(shù)要求；另外，Durathon擁有先進(jìn)的智能化電池管理系統(tǒng)（BMS），客戶可以通過(guò)這個(gè)智能化電池管理系統(tǒng)有效預(yù)防過(guò)充，即使單節(jié)電池失效，整個(gè)電池組的運(yùn)行也不會(huì)受太大影響；再者，由于Durathon的核心材料是鹽和鎳，這些材料具有無(wú)毒和穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，避免了同類電池技術(shù)的安全和環(huán)保隱患。

以上三點(diǎn)是Durathon電池技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)，同時(shí)它還具有使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)壽命可超過(guò)2500次，一般壽命可超過(guò)15年。不需要維護(hù)，可遠(yuǎn)程監(jiān)控；在寬泛的使用環(huán)境（－40～65℃)下都可正常工作，且電池性能都不會(huì)受到影響等顯著優(yōu)勢(shì)。

Durathon電池的應(yīng)用領(lǐng)域

目前，Durathon電池技術(shù)可廣泛應(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。

● 電動(dòng)車領(lǐng)域：GE為電動(dòng)車開(kāi)發(fā)的Durathon電池可在有限的空間內(nèi)使用，并滿足其苛刻的使用要求。

● 電力領(lǐng)域：Durathon電池技術(shù)可促進(jìn)電力在更廣泛范圍內(nèi)的應(yīng)用。其高能量密度和長(zhǎng)壽命能支持局部?jī)?chǔ)能，并在需要的地方和需要的時(shí)候幫助電力系統(tǒng)發(fā)電和配電。表1為電力領(lǐng)域應(yīng)用的Durathon電池的性能指標(biāo)。

● UPS領(lǐng)域：作為對(duì)排放要求苛刻的后備電源領(lǐng)域，

Durathon技術(shù)非常可靠，成本更低，壽命很長(zhǎng)，所以是UPS市場(chǎng)新興的一種技術(shù)。Durathon電池可設(shè)計(jì)成與現(xiàn)代UPS系統(tǒng)集成，因此所需的開(kāi)關(guān)成本最低。

● 電信領(lǐng)域：GE為電信行業(yè)專門設(shè)計(jì)了一種Durathon電池，可以解決傳統(tǒng)的電信站點(diǎn)電網(wǎng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，也可以被用于使用可再生能源的混合電力站點(diǎn)。這種電池比傳統(tǒng)的電信公司電池系統(tǒng)壽命長(zhǎng)10倍，可以降低成本，確保網(wǎng)絡(luò)效率及無(wú)線服務(wù)商提供最佳的服務(wù)。

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高容量鈉鎳電池和高功率鋰電池雙電池系統(tǒng)

電池作為新能源汽車的核心部件，其技術(shù)水平?jīng)Q定了新能源汽車發(fā)展的真正水平。所以，GE一直以來(lái)都在尋找最佳的環(huán)保電池。GE全球研發(fā)中心開(kāi)發(fā)了一種高容量鈉鎳電池和高功率鋰電池雙電池系統(tǒng)。

鋰電池可以為車輛提供強(qiáng)勁的動(dòng)力，但容量很低。而鈉鎳電池則相反，它可以儲(chǔ)存大量能量，但是在功率方面并不突出。GE最新開(kāi)發(fā)的雙電池則可以很好地結(jié)合鋰電池和鈉鎳電池的優(yōu)點(diǎn)。在GE研發(fā)的雙電池電動(dòng)公交車中，兩者各自發(fā)揮自己的強(qiáng)項(xiàng)——鋰電池為汽車加速及制動(dòng)提供了高功率，而鈉電池為汽車行駛提供了一個(gè)恒定的功率。

在同時(shí)要求高功率和高電量的公交車、運(yùn)輸卡車等大型車輛上使用雙電池系統(tǒng)，不但可以提高車輛性能，還可以降低最高達(dá)20%的電池成本。在傳統(tǒng)單電池系統(tǒng)中，如果需要提高電池容量或功率，就需要增加電池體積，成本會(huì)隨之增加；在雙電池系統(tǒng)中，不增加電池體積而采用靈活調(diào)整電池組合的方式就可以達(dá)到相同的目的，因而成本就比同等效能的單電池要低。