钠－氯化镍电池应用于潜艇动力系统的可行性分析

徐 海，郭朝有，曾凡明，吴雄学

( 海军工程大学 动力工程学院，湖北 武汉430033)

0 引 言

当前，国内外常规潜艇动力电池主要采用铅酸电池，但其存在着能量密度低、充电效率低、自放电能量损失大、循环寿命短等缺点，并且其改进和提高的空间已十分有限［1］。随着国内外民用电池技术的发展，已提出多种可能取代铅酸电池成为常规动力潜艇动力电池的新型高能电池。其中备受关注的钠－氯化镍电池，为世界各国首选的车用动力电池，德国Daimler－Benz，法国Renault，意大利Fiat和美国GE 等汽车公司已装车试用多年［2］，具有高能量密度、高转换效率、高安全性、无记忆、寿命长等特性。因此，若能在钠－氯化镍动力电池车用技术研究的基础上，开展艇用化研究，将具有很大的艇用化前景。

1 钠－氯化镍电池概况

1.1 钠－氯化镍电池发展现状

钠－氯化镍电池由南非的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［3］。至今，德国AEG Anglo Battery GmbH，美国Beta R＆D，GE和瑞典MES－DEA 等公司已设计和生产了3 代钠－氯化镍电池。其中MES－DEA 公司2010年第3 代钠－氯化镍单体电池的产量为40 000个，已逐步推广应用于电动汽车、电信备用电源、风光储能以及UPS 等领域［4］。

1.2 钠－氯化镍电池主要特性

与典型的动力电池，如铅酸电池、镍氢金属电池、锂离子电池和硫化钠电池对比，钠－氯化镍电池的主要特性为:

1)安全性好，可靠性高［5］

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。同时钠－氯化镍电池具有过热状态下不会着火、爆炸等特性，电池性能与周围环境温度完全无关，能在恶劣环境下工作，外部工作环境的温度范围可为－40℃～70℃［6］。

2)无自放电，充放电性能好

钠－氯化镍电池无自放电，过充过放电过程可逆，库伦效率为100%，充放电时能自动平衡电流分配，可根据容量需求由单体电池任意组合构成电池组［7］。其次，钠－氯化镍电池放电特性与放电速率无关，放电量受工况影响变化小，可大电流放电;可快速充放电至额定容量(其他电池一般只达到70%～80%的额定容量)，且不带任何副作用［6］。

3)寿命长，故障率低，可自动隔离故障单体电池，维护管理方便

钠－氯化镍电池的循环寿命和使用寿命长，而故障率低。目前钠－氯化镍电池循环次数可达3 000 周次，使用寿命大于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。钠－氯化镍电池具有自动隔离故障电池单体功能，每个电池模块可自动隔离5%～10%的故障单体电池［8］。单体电池被密封于环保钢壳内，免维护;电池模块通过电池管理系统可实现实时性能监测，方便管理人员的维护管理。

2 钠－氯化镍电池应用于潜艇的可行性分析

鉴于潜艇的特殊应用环境，钠－氯化镍电池替代铅酸电池成为潜艇动力电池须在适用性、安全性和经济性3 方面达到如下要求:1)相同装艇容积下总容量应超过现有铅酸电池装艇容量，具有更高的续航力和机动性;2)具有更高的安全性和可靠性;3)全寿命费用优于铅酸电池［1］。

2.1 钠－氯化镍电池艇用化适用性分析

1)钠－氯化镍电池艇用化可提高续航力

当前，第3 代钠－氯化镍电池的性能参数如表1［9］所示，其比能量已达到119 Whkg－1，比功率可达169 Wkg－1，体积比能量已达180 WhL－1，均远高于铅酸电池;而且一个130 L，195 kg的钠－氯化镍电池在任何放电率都超过一个190 L，525 kg的潜艇铅酸电池。

表1 钠－氯化镍电池组的性能参数Tab.1 The performances of sodium-nickel chloride battery

2008年，Naval Architect 公司分别以铅酸电池和钠－氯化镍电池作为动力电池在一艘3 600 t 潜艇上做了续航力对比实验［10］，实验结果如表2所示。

表2 铅酸电池和钠－氯化镍电池续航力对比实验结果Tab.2 The endurance comparing experiment result of lead-acid battery and sodium-nickel chloride battery

电池装艇续航力实验表明，20 kn 航速时钠－氯化镍电池的续航时间是铅酸电池的1.86 倍，10 kn航速时为2.59 倍，而且钠－氯化镍电池的重量不到铅酸电池的3/4。

因此，在同等装艇容积下，钠－氯化镍电池替代铅酸电池，将大幅度提高短时和长时放电制下潜艇的续航力。

2)钠－氯化镍电池艇用化可提高机动性

钠－氯化镍电池可高电压大电流快速充电，30 min可充入50%的电容量，75 min 可充入80%［11］。同时也可大电流快速放电，5 min 输出功率可达30 kW，30 min输出功率可达20 kW，2 h 放电能量可达18 kWh［8］。

2005－2006年，英国国防部开展了钠－氯化镍电池多电压多电流模式浮充、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［12］。试验表明:

1)高电压大电流充电对钠－氯化镍电池本体性能无明显影响，可采用高电压大电流充电方式实现快速充电，大幅度缩短充电时间。

2)大电流放电钠－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。

因此，潜艇采用钠－氯化镍电池作为动力电池可拥有更快的反应速度，更强的机动性，更低的暴露率。

2.2 钠－氯化镍电池艇用化安全性分析

钠－氯化镍电池因其特有的内部工作机理和结构组成，使其拥有化学反应保护机制、单体电池壳体保护机制、绝热箱体保护机制、电池管理系统保护机制等4 重安全保护机制，确保了其高安全性和可靠性［8］。

1)化学反应保护机制

当钠－氯化镍电池充电至荷电状态SOC ＞98%，若持续施加一正向电压将导致电池过充;反之，若放电至荷电状态SOC ＜5%，若持续对外放电将导致电池过放［13］。

钠－氯化镍电池过充时，正极中的NaCl 经正常充电反应已全部耗尽，正极中过剩的Ni和NaAlCl4熔盐电解质将发生如式(1)所示反应。过充电反应发生在比正常充电更高的电位，当电池的开路电压等于充电器电压时，充电电流会自动中断，起到良好的保护电池作用。

而电池过放时，正极中NiCl2经正常放电反应已全部耗尽，正极中还存在过剩的Na和NaAlCl4熔盐电解质将发生如式(2)所示反应。过放电反应发生在比正常充电更低的电位，该反应能为电池过放电时在低电压下保持一定的放电电流。

详细的钠－氯化镍电池在不同充放电状态下的反应如图3所示。由此可见，在电池发生过充过放电反应的过程中，NaAlCl4熔盐电解质可起到一个非常有效的缓冲保护作用，即钠－氯化镍电池本身就具备过充过放电保护能力。

图1 钠－氯化镍电池在不同充放电状态下的化学反应Fig.1 The chemical reactions of sodium-nickel chloride battery in different charge/discharge states

2)单体电池壳体保护机制

钠－氯化镍电池在机械滥用(包括冲击、摔落、滚动、贯穿、浸泡等)时，最大安全问题是其β″－Al2O3陶瓷破裂，导致电池正负极直接接触而短路。

每个钠－氯化镍单体电池的壳体是由钢和玻璃焊接密封热压缩粘结而成，内部可承受高达900℃温度［8］。即使钠－氯化镍电池受到了严重的机械损伤，甚至内部的β″－Al2O3陶瓷破裂，由钢构造的电池外壳只是变形但仍保持密闭，电池内部的高温液态物质不会泄漏。

当β″－Al2O3陶瓷破裂时，电池内部熔融Na与NaAlCl4熔盐电解质直接接触发生如反应式(2)所示化学反应，从而将熔融Na 经化学反应生成NaCl，避免了Na与氧气接触发生剧烈氧化反应的潜在危险。

而且反应式(2)的理论比能量仅为650 Whkg－1，是钠－氯化镍电池正常放电反应式的理论比能量(788 Whkg－1)的82%，也不会导致电池热失控［13］。

因此，钠－氯化镍电池能保证冲击、摔落、滚动、贯穿、浸泡等机械滥用下安全无事故，在短路情况下无泄漏。

3)绝热箱体保护机制

电池组被密封于一双层钢壳结构的箱体中，且双层钢壳间用低密度(0.2 g /cm3)、高热稳定性(1000℃)的SiO2隔热泡沫填充，从而使电池单体与环境间的热传导为0.005 w/mK (双层壳体间为真空时)和0.02 w/mK (双层壳体间为非真空时)［13］。因此钠－氯化镍电池借助电池封装设计，保证了在辐射热、热稳定性、隔热损坏、过加热、热循环等热滥用下能可靠工作。同时钢壳可保证在50 km/h的碰撞冲击下无严重变形，在摔落、滚动等机械滥用条件下内部单体电池的安全工作。

4)电池管理系统保护机制

电池管理系统能够实时监测和显示电池组的温度、电压、电流和荷电状态等工作状态，可以控制充放电电流，防止出现过充过放电现象，可以故障报警，还可保存数据以备故障诊断和后续研究，为钠－氯化镍电池提供全方位的保障。

钠－氯化镍电池的4 重保护机制是它能够通过USABC 考核的主要因素。1997－1998年，ZEBRA公司对其生产的钠－氯化镍电池专门按照USABC 制定的世界通用的电池安全使用考核标准进行了电池系列滥用试验，考核分机械、热、电和振动滥用试验4 大类共16个项目，如表3所示［2］。

表3 钠－氯化镍电池的电池滥用试验及考核结果Tab.3 The battery abuse tests and results of sodium-nickel chloride battery

从表3 中所列的试验考核结果来看，钠－氯化镍电池完全通过了USABC 制定的极为严格的机械、热、电和振动滥用试验等4 大类16 项试验项目的安全考核，是一型具有极高安全性能的动力电池，满足潜艇动力电池安全性要求。

2.3 钠－氯化镍电池艇用化经济性分析

目前市场上铅酸电池售价为105～175 美元/kWh，钠－氯化镍电池售价为70～270 美元/kWh。2003年，MES－DEA 公司的研究显示［11］，当钠－氯化镍电池年产量为10 000个时售价为240 美元/kWh，年产量为100 000个时售价可降到109 美元/kWh，即当年产量为100 000个时，售价将与铅酸电池相当。钠－氯化镍电池在其全寿命过程中故障率低，维修费用低，后期投入远比铅酸电池低得多;同时钠－氯化镍电池的使用寿命和循环寿命都比铅酸电池长，进一步降低了钠－氯化镍电池的全寿命费用。

3 结 语

电池特性的理论分析以及国外开展的相关研究均表明钠－氯化镍电池满足艇用化的适用性、安全性和经济性要求，替代铅酸电池作为潜艇动力电池完全可行。

为实现钠－氯化镍电池的装艇应用，今后尚需在高电压高电流充电机制、电池组配模式、短路与振动测试、快速预热和艇用化电池管理系统等方面持续开展试验和研究。

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