Аккумуляторные батареи ZEBRA, особенности внутреннего строения и функционирования

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: http://www.betard.co.uk/

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...