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高导电率的集流体对降低电池内阻也具有重要的作用,在ZEBRA电池中使用铜集流体与纯镍集流体相比,集流体电阻降低80%,对电池功率密度的提高有显著的效果。在正极材料中加入硫可以起到提高电极材料利用率和稳定容量的作用。另外,在加入硫的同时加入碘化钠会有更好的效果,原因在于当电压低于碘形成的最低电压(2.8V)时,碘离子会修饰在NiCl2表面,降低内阻,而当电压高于2.8V时,碘的形成可以提高电池额外的容量。随着电池的循环,碘的高溶解度使得它更容易到达阴极的活性位置,加快电极反应的进行。
2.3管型设计的ZEBRA电池
ZEBRA电池也主要采用中心正极的方管型设计,但由于正极电极反应基本在电解质表面进行,不论放电还是充电,正极材料的电阻随放电深度增加而不断增大,离子需要克服向电解质表面扩散的阻力到达电解质表面才能实现电池的持续工作,因此已经实用化的ZEBRA电池将b²-氧化铝陶瓷管的截面设计成如图6所示的花瓣状而不采用常规的圆形,这样离子的扩散路径可以大大缩短,有效地提高电池功率密度。使用这种陶瓷管组装的电池功率密度可以达到115W/kg,使用圆柱管状-氧化铝作为固体电解质时,ZEBRA电池组的功率密度仅约为80W/kg。通过一系列技术上的改进,目前ZEBRA单电池的功率密度可以达到200W/kg,电池组则约为150W/kg。
图7所示是由10个单体电池组成的模块的放电特性和循环性能。从图中可以看到,电池组可以放出与其设计值接近的容量。电池组的容量在3000次循环以上保持稳定。管型设计的ZEBRA电池已经进入市场应用,最早实现规模生产的是瑞士的MAS-DEA公司,美国GE公司自2012年开始也实现了较大规模的商业应用,但目前尚没有其它可实现产业化的机构。
由于ZEBRA电池优异的安全性,已在纯电动和混合动力汽车上展示了良好的应用前景。目前在欧美有超过1万辆ZEBRA电池电动车在运行中,这些电动车包括微型轿车、卡车、货车及大客车等(图8)。德国AEGAngloBatteriesGmbH公司一辆用钠/氯化镍电池组装的电动汽车在3年多时间的实际路试中已运行了大于69000英里(1英里=1609.3m,相当于1200次正常循环)而无需任何维护。使用液冷技术的ZEBRA电池已经被装配在RenaultTwingo、Clio、OpelAstra、奔驰和宝马3系列的汽车中。ZEBRA电池作为新一代车用高能电池已凸显出其强大的优势。
ZEBRA是远程通信行业一种十分理想的备用电源,它要求电池永久性地与动力供应系统相连接,在完全充电状态下电压接近开路电压,电池放电只出现在动力供应失效的情况下。用于远程通讯的ZEBRA电池的比能量较用于电动汽车的高,一般为32~40A˙h。ZEBRA电池较宽的工作温度范围和很好的安全性为其在气侯恶劣的地区应用于远程通讯提供了良好的条件。此外,ZEBRA电池在军事上的应用也非常引人注目,美国加州技术研究所的Jet推进实验室从19世纪80年代末就开始对ZEBRA电池作为未来空间电源应用进行了一系列的基础研究。欧洲空间研究和技术中心从19世纪90年代初也开始对该电池进行了大量的研究试验,专门设计研制的钠-氯化镍原型空间电池在低地球轨道(LEO)条件下进行了模拟试验评估,初步结果表明这种电池在LEO轨道飞行器上有良好的应用前景。在我国,中国科学院上海硅酸盐研究所等正在开发ZEBRA电池。
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