Батареи ZEBRA - описание, основные характеристики

Натрий никель-хлоридные аккумуляторы (ZEBRA) были изобретены в конце 1980х годов специально для нужд электротранспорта. Аккумуляторы ZEBRA являются продолжателями идеи горячих натрий-серных аккумуляторов. Основной причиной отказа от натрий-серных аккумуляторов в пользу натрий никель-хлоридных явился факт высокой коррозии керамического твердого электролита в натрий серных аккумуляторах в процессе циклирования, что приводило к малому сроку жизни батарей.

В настоящее время аккумуляторы ZEBRA производятся швейцарской компанией MES DEA, и доступны для покупки. О других производителях аккумуляторов ZEBRA известно мало, и их продукция пока недоступна на рынке. Основным разработчиком натрий никель-хлоридных аккумуляторов является Beta Research & Development Ltd. в Великобритании.

Для электромобилей нужны аккумуляторные батареи с высокой удельной емкостью и низкой ценой за КВт*ч запасенной электроэнергии. Также желательно, чтобы батареи имели большой срок эксплуатации и большое количество циклов заряда/разряда, а также могли быстро заряжаться. Аккумуляторы ZEBRA потенциально могут превзойти основные, используемые в данный момент, батареи для электромобилей по всем показателям.

В натрий никель-хлоридных аккумуляторах используются дешевые составляющие – расплавленный натрий, хлорид никеля (II), керамический твердый электролит и расплавленный аллюмохлорид натрия (NaAlCl₄) в качестве жидкого электролита. Для работы данного аккумулятора необходимо поддерживать внутреннюю температуру на уровне 270-350°C. Поэтому аккумуляторные батареи ZEBRA имеют в своем составе нагреватель, воздушный охладитель и упакованы в стальной двустенный термоизолирующий корпус, между стенками которого имеется вакуумная прослойка.

Необходимость термоизоляции диктует большой размер самой батареи ZEBRA: типичный представитель – Z5C – весит 195кг и запасает 16,8КВт*ч электроэнергии. Чем больше объем, тем меньше удельная площадь для рассеивания тепла, тем меньше требуется энергии для поддержания рабочей температуры на уровне 300°C. Размеры аккумуляторной батареи ZEBRA диктуют ее применение – электротранспорт.

Для правильной работы аккумуляторной батареи ZEBRA необходим умная система управления батареей, и она там есть!.. Система поддерживает внутреннее состояние батареи на оптимальном уровне, автоматически отключает питание при отсутствии нагрузки и в критических ситуациях (имеется встроенный датчик крушения). Вся система может управляться через последовательный порт компьютера с Windows. Доступна не только функция мониторинга состояния батареи в реальном времени, но и возможность тюнинга параметров аккумуляторной батареи под конкретную область применения. Чем хороша подобная система, что MES DEA предоставляет удаленную поддержку для своих аккумуляторов ZEBRA – квалифицированный инженер из Швейцарии может через механизм удаленного помощника Windows помочь настроить аккумуляторную батарею в любой точке мира, где есть доступ в Интернет.

Благодаря тому, что твердый электролит, разделяющий анод и катод, является изолятором, батареи ZEBRA имеют нулевой уровень саморазряда. Ирония ситуации состоит в том, что на поддержание рабочей температуры натрий никель-хлоридного аккумулятора Z5C контроллеру необходимо тратить от 100 до 120Вт энергии, что приводит полностью заряженный аккумулятор к полному разряду за неделю.

Недостаток аккумулятора ZEBRA – высокая температура, в случае с электромобилем может служить также и преимуществом – при нагрузке выделяется дополнительно до 10% тепловой энергии от потребляемой мощности, что для зимних условий означает до 600-1000Вт тепла для малого электромобиля безвредно для дальности пробега. Те же 100Вт тепла при стоянке обеспечат минимальный обогрев сидений и салона в зимних условиях.

Безопасность аккумуляторов ZEBRA не ниже, чем у бака с бензином обычного автомобиля с ДВС. Это не голословное утверждение – кроме двойного термоизолирующего корпуса, каждый аккумуляторный элемент в батарее имеет собственную стальную оболочку. При краш-тестах батареи ZEBRA выдерживали удар на скорости 50км/ч о стальной столб, при этом в корпусе образовывалась вмятина на 15см, и были трещины на 2/3 наружного корпуса. После соударения температура внутри батареи достигала 700°C, в результате поглощения кинетической энергии и реакции между хлоридом никеля и натрием. Однако из-за того, что в процессе этой реакции не возникает газо- и парообразования (в отличие от натрий-серных аккумуляторов), горячие продукты реакции (поваренная соль и никель) не выходили за пределы корпуса и внешняя поверхность оставалась терпимо горячей. Также проводились тесты нагревания батареи – облитая бензином и подожженная, батарея ZEBRA спокойно выдерживала 2 часа нахождения в огне. Опасность термического поражения возникает в случае, когда внешний корпус разрушается настолько, что аккумуляторные элементы выпадают наружу. Однако такая ситуация приведет к гибели находящихся в автомобиле, поскольку, когда на очень прочную батарею внутри корпуса электромобиля воздействует сила, достаточная для полного разрушения этого корпуса, по пассажиры и водитель уже гарантировано представляют собой консервы. В этом случае, разницы между теплыми и горячими консервами лично я уже не вижу... Учитывая, что безопасность современных автомобилей высока настолько, что люди часто переносят удар автомобиля о фонарный столб на скорости 100км/ч без серьезных повреждений, то батарее ZEBRA при таком ударе вообще ничего не угрожает.

Резюме - преимущества и недостатки NiNaCl батарей:

Преимущества

• Высокая удельная емкость, сравнимая с литий-ионными аккумуляторами
• Низкая стоимость и широкая доступность основных материалов аккумулятора
• Большое время жизни аккумулятора – свыше 1000 полных циклов заряда/разряда и свыше 7 лет активной эксплуатации (такие характеристики по зубам далеко не каждому серийному аккумулятору)
• Высокая толерантность к выходу из строя отдельных аккумуляторных элементов в батарее (из-за очень низкого сопротивления вышедшего из строя элемента батарея безболезненно выдерживает до 5% потерь)
• Большой вольтаж (278,6В или 557В для Z5C ZEBRA батареи)
• Высокая безопасность
• Удобство управления, благодаря интеллектуальной системе управления батареи
• Отсутствие надобности в дополнительном обогревателе в зимних условиях
• Высокая экологическая безопасность – основные компоненты натрий никель-хлоридных аккумуляторов мало экологически опасны

Недостатки

• Низкая плотность мощности (но это не очень большой недостаток, так как из-за большого количества элементов Z5C ZEBRA может выдавать до 37КВт мощности)
• Необходимость поддержания высокой рабочей температуры внутри батареи диктует высокий расход энергии (около 100Вт для Z5C ZEBRA)
• Для разогрева холодной батареи и приведения ее в рабочее состояние необходимо не менее суток
• Аккумуляторы ZEBRA выдерживают не более 50 циклов нагрева/охлаждения
• Цена каждого киловат-часа емкости батареи составляет на сегодняшний день около 650USD (при заявленной себестоимости киловат-часа при крупносерийном производстве ниже, чем 150USD) – этот недостаток очень высок, так как из-за него электромобиль с батареями ZEBRA может только быть на равных по цене эксплуатации с бензиновыми автомобилями (и то в Европе, где дорого обходится бензин и экологические налоги).

В заключение хочется сказать, что натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи ZEBRA являются очень перспективными для электротранспорта, для чего они и были разработаны. Уже сейчас они используются в электробусах, яхтах, некоторых дорогих электромобилях. При использовании аккумуляторов ZEBRA для электромобиля реально достижим пробег на одной зарядке в 150км. Длительный срок жизни и хорошие показатели циклируемости ставят натрий никель-хлоридные аккумуляторы на одно из первых мест среди существующих аккумуляторов. На данный момент единственной существенной преградой является цена данного типа батарей. Как только произойдет снижение цены одного киловат-часа емкости батареи до уровня 300USD, что реально достижимо (себестоимость производства составляет меньше 150USD за 1КВт*ч), то электромобили среднего радиуса действия станут широко используемой реальностью. Остается только надеятся, что натрий никель-хлоридные аккумуляторы не повторят судьбу никель-металлгидридных собратьев (Texaco/Chevron выкупила патент на никель-металлгидридные батареи у General Motors и запретила производство крупногабаритных элементов до конца 2014 года – тогда заканчивается срок патента, это привело к отбрасыванию на исходные позиции использования свинцово-кислотных аккумуляторов для серийных недорогих электромобилей).