鈉－氯化鎳電池應用于潛艇動力系統的可行性分析

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，國內外常規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］。隨著國內外民用電池技術的發展，已提出多種可能取代鉛酸電池成為常規動力潛艇動力電池的新型高能電池。其中備受關注的鈉－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研究的基礎上，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－氯化鎳電池發展現狀

鈉－氯化鎳電池由南非的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［3］。至今，德國AEG Anglo Battery GmbH，美國Beta R＆D，GE和瑞典MES－DEA 等公司已設計和生產了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量為40 000個，已逐步推廣應用于電動汽車、電信備用電源、風光儲能以及UPS 等領域［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。同時鈉－氯化鎳電池具有過熱狀態下不會著火、爆炸等特性，電池性能與周圍環境溫度完全無關，能在惡劣環境下工作，外部工作環境的溫度范圍可為－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，可根據容量需求由單體電池任意組合構成電池組［7］。其次，鈉－氯化鎳電池放電特性與放電速率無關，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－氯化鎳電池的循環壽命和使用壽命長，而故障率低。目前鈉－氯化鎳電池循環次數可達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保鋼殼內，免維護;電池模塊通過電池管理系統可實現實時性能監測，方便管理人員的維護管理。

2 鈉－氯化鎳電池應用于潛艇的可行性分析

鑒于潛艇的特殊應用環境，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、安全性和經濟性3 方面達到如下要求:1)相同裝艇容積下總容量應超過現有鉛酸電池裝艇容量，具有更高的續航力和機動性;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航力

當前，第3 代鈉－氯化鎳電池的性能參數如表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 潛艇上做了續航力對比實驗［10］，實驗結果如表2所示。

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

電池裝艇續航力實驗表明，20 kn 航速時鈉－氯化鎳電池的續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。

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部工作機理和結構組成，使其擁有化學反應保護機制、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)化學反應保護機制

當鈉－氯化鎳電池充電至荷電狀態SOC ＞98%，若持續施加一正向電壓將導致電池過充;反之，若放電至荷電狀態SOC ＜5%，若持續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 經正常充電反應已全部耗盡，正極中過剩的Ni和NaAlCl4熔鹽電解質將發生如式(1)所示反應。過充電反應發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經正常放電反應已全部耗盡，正極中還存在過剩的Na和NaAlCl4熔鹽電解質將發生如式(2)所示反應。過放電反應發生在比正常充電更低的電位，該反應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下的反應如圖3所示。由此可見，在電池發生過充過放電反應的過程中，NaAlCl4熔鹽電解質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下的化學反應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而成，內部可承受高達900℃溫度［8］。即使鈉－氯化鎳電池受到了嚴重的機械損傷，甚至內部的β″－Al2O3陶瓷破裂，由鋼構造的電池外殼只是變形但仍保持密閉，電池內部的高溫液態物質不會泄漏。

當β″－Al2O3陶瓷破裂時，電池內部熔融Na與NaAlCl4熔鹽電解質直接接觸發生如反應式(2)所示化學反應，從而將熔融Na 經化學反應生成NaCl，避免了Na與氧氣接觸發生劇烈氧化反應的潛在危險。

而且反應式(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構的箱體中，且雙層鋼殼間用低密度(0.2 g /cm3)、高熱穩定性(1000℃)的SiO2隔熱泡沫填充，從而使電池單體與環境間的熱傳導為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計，保證了在輻射熱、熱穩定性、隔熱損壞、過加熱、熱循環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部單體電池的安全工作。

4)電池管理系統保護機制

電池管理系統能夠實時監測和顯示電池組的溫度、電壓、電流和荷電狀態等工作狀態，可以控制充放電電流，防止出現過充過放電現象，可以故障報警，還可保存數據以備故障診斷和后續研究，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－氯化鎳電池年產量為10 000個時售價為240 美元/kWh，年產量為100 000個時售價可降到109 美元/kWh，即當年產量為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 語

電池特性的理論分析以及國外開展的相關研究均表明鈉－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。

為實現鈉－氯化鎳電池的裝艇應用，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等方面持續開展試驗和研究。

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