[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Натрий никель-хлоридные аккумуляторы (ZEBRA) были изобретены в конце 1980х годов специально для нужд электротранспорта. В настоящее время аккумуляторы ZEBRA производятся швейцарской компанией MES DEA, и доступны для покупки. Основным разработчиком натрий никель-хлоридных аккумуляторов является Beta Research & Development Ltd. в Великобритании. В этой статье вы сможете почерпнуть сведения о внутреннем строении аккумуляторов и батареи ZEBRA, данные взяты с сайта разработчика: Beta Research & Development Ltd.

Начнем с внутреннего устройства аккумуляторного элемента натрий никель-хлоридной батареи. Внешне элемент представляет собой стальной прямоугольный параллепипед, в него засыпается металический натрий (материал отрицательного электрода), вставляется керамическая трубка из бета-глинозема, являющаяся одновременно и изолятором между положительным и отрицательным электродами, и твердым электролитом, проницаемым для ионов натрия. В керамический сепаратор засыпаеся материал положительного электрода: хлорид никеля (II) и хлорид железа (II), порошок аллюмохлорида натрия и вставляется контактная пластина, вывод которой располагается на торце аккумуляторного элемента.

Поскольку все материалы электродов являются твердыми веществами при нормальных условиях, то для работы аккумулятор следует держать в разогретом до 300°C состоянии.

Остановимся немного на проблеме керамического сепаратора. Так как он являеся твердым электролитом в системе натрий никель-хлоридного аккумулятора, то он лимитирует скорость переноса ионов натрия между электродами (в твердом веществе скорость передвижения намного меньше, чем в расплаве). Первые сепараторы из бета-глинозема были круглой в сечении формы, что не позволяло получить большую мощность от аккумулятора. В современных батареях ZEBRA используются сепараторы в виде четырехлистника на разрезе, что позволило отнимать на 50% больше мощности за счет увеличения площади поверхности и уменьшения расстояния, необходимого для преодоления ионами натрия внутри электродов.

Стойкость керамического сепаратора определяет длительность жизни аккумулятора. Со временем сепаратор разрушается, что ведет к реакции между хлоридом никеля и натрием, с образованием поваренной соли и никеля. Данная смесь достаточно хорошо электропроводна, так что при отказе десятка-другого из нескольких сотен аккумуляторов не происходит серьезного снижения характеристик батареи. На данный момент, при постоянном поддержании рабочей температуры, аккумуляторная батарея ZEBRA выдерживает более 7 лет эксплуатации и более 1000 полных циклов заряда/разряда. Из-за керамического сепаратора аккумулятор может выдержать 50 циклов нагрева/охлаждения.

Теперь разберем устройство положительного электрода. Современные аккумуляторы ZEBRA являются не чисто натрий никель-хлоридными, а натрий никель-железо-хлоридными. Введение хлорида железа в состав положительного электрода способствует более низкому внутреннему сопротивлению аккумулятора. Также при разряде чисто натрий никель-хлоридной системы в конце разряда резко падает выходная мощность (почти в 2 раза). При добавлении хлорида железа удается избежать данного эффекта. Почему это происходит? Рассмотрим уравнения электрохимических реакций на положительном электроде обеих систем:

NiCl₂ + 2Na⁺ + 2e^- → Ni + 2NaCl

FeCl₂ + 2Na⁺ + 2e^- → Fe + 2NaCl

Легко можно заметить, что реакции индентичны. Однако есть малое и существенное отличие: напряжение, выдаваемое первой реакцией 2,58В, а второй – 2,35В. Таким образом, при введении железного "допинга" в конце разряда удается поддержать мощность, выдаваемую аккумулятором на приемлемом уровне. Это важно, поскольку для аккумуляторов ZEBRA характерна относительно низкая плотность мощности.

Утилизация аккумуляторов ZEBRA очень проста – их можно отправлять на переплавку без какого-либо размонтирования. В результате переплавки образуется железо-никелевый сплав, который может использовать сталелитейная промышленность. Даже при простом выбрасывании батарея ZEBRA мало опасна для окружающей среды (основные компоненты и стальной корпус для окружающей среды либо малотоксичны либо вообще нетоксичны).

Отдельный аккумуляторный элемент не представляет большого практического интереса – работа при высокой температуре, низкий параметр выходной мощности и относительно небольшая емкость не позволяют всерьез говорить о его использовании для какого-либо применения, кроме научного. И, в то же время, ситуация коренным образом меняется, если собрать несколько сотен аккумуляторов ZEBRA в батарею.

Что собой представляет аккумуляторная батарея ZEBRA? – Типичный представитель – ZEBRA Z5C. Внешний корпус батареи представляет собой стальной двустенный корпус, между стенками которого создан вакуум. Такой термос позволяет избежать большого рассеяния тепла батареей (в нормальных условиях рассеивается около 100Вт тепла), что важно не только для функционирования аккумуляторов ZEBRA, но и для обеспечения безопасности использования. Внутри корпуса находятся 216 аккумуляторных элемента ML3. Благодаря большому количеству элементов обеспечивается емкость в 16КВт*ч (при двухчасовом разряде), напряжение в 278 или 557В и максимальная выдаваемая мощность 32КВт.

Для поддержания постоянства внутренней температуры внутри корпуса батареи ZEBRA имеется нагреватель и система воздушного охлаждения. Для разогрева аккумуляторов до рабочей температуры нагревателю требуется около суток. Потом нагреватель поддерживает температуру на рабочем уровне (выше 270°C) за счет энергии батареи. При разряде выделяется около 10% от выданой энергии, что требует охлаждения аккумуляторов до температуры ниже максимальной рабочей (350°C).

Для поддержки правильной работы аккумуляторной батареи ZEBRA встроена умная система управления. 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.

Надеюсь, что эта статья позволила вам узнать больше о таких очень перспективных для электротранспорта источниках тока, как натрий никель-хлоридные аккумуляторы ZEBRA. Для электромобилей производство дешевых вторичных источников тока жизненно необходимо (из-за требуемого большого запаса энергии на борту). Рост цен на свинец и литий всвязи с возрастающим потреблением этих металов для аккумуляторной промышленности требует появления дешевой конкурентной технологии. Радует, что у нас уже есть реально работающие конкуренты распространенных химических источников тока для электромобилей – аккумуляторы ZEBRA. Это еще не последняя статья о NaNiCl аккумуляторах, так что заходите...

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

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).

Смотрите также: Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи (ZEBRA), особенности внутреннего строения и функционирования

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]

Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи (ZEBRA) были изобретены в конце 1980х годов специально для нужд электротранспорта. В настоящее время они доступны для покупки, и все больше производителей электромобилей предлагают установку аккумуляторных батарей ZEBRA в качестве более дешевой и практичной замене литий-ионным аккумуляторам

На страницах этого сайта можно почерпнуть информацию, ранее не публиковавшеюся на русском языке:

• Натрий никель-хлоридные аккумуляторные батареи (ZEBRA) - описание, основные характеристики, положительные и отрицательные моменты
• Аккумуляторные батареи ZEBRA, особенности внутреннего строения и функционирования – несколько слов о конструкции высокотемпературных NaNiCl АКБ

Данная страница создана с помощью Smart HTML Editor

[NiCd] [NiMH] [Lead Acid] [LiON] [NaNiCl] [SuperCap]