中国储能网讯：今天和大家聊聊斑马电池，起笔动机源于一则消息：超威与美国通用电气合作，以斑马电池技术为基础，拓展应用，高调进军储能领域。我在做储能技术调研时，了解过这种技术，但没有引起重视，原因有三点：一是技术在国外，离我们足够的遥远，不以为意；二是宣传力度不够，知名度远不及钠硫电池；三是针对领域不同，斑马电池从1978年问世以来，目不转睛瞄准电动汽车，以至于我都没把它放进储能技术解决方案的菜篮之内。

看到消息第一时间向我的好朋友戴贵平教授确认，没想到他是参与者之一。出于对教授本人的认同，我决定一探究竟，于是搜集了资料对这项技术做了更加深入的了解。初步判断，这是一款很不错的电池技术，若转向储能领域，应该会有所作为，至少不会比钠硫电池差。

接下来我就从以下九个方面做介绍，尽量通俗。

一 名称由来：为什么叫斑马(ZEBRA)电池？

非洲草原上有角马水牛与羚羊、土狼猎豹和狮子，为什么起名叫斑马？如果这么想，你就中计了。其名称ZEBRA是“Zero Emission Battery Research Activity”的缩写。由南非ZEBRA Power Systems Ltd的Dr.Coetyer J发明，斑马是斑马电池又叫Na/NiCl2电池或者钠电池，还被称为熔岩蓄电池，是1978年研究开发的一种新型高能量电动车用电池。

二 电池原理

充电时，正极Ni失去电子生成Ni2+，并与电解质中的Cl-结合，生成NiCl2。于此同时，正极电解质中的Na+穿过陶瓷隔离板再负极得到电子，生成单质Na；

放电时，正极的Ni2+得到电子，生成Ni单质，负极单质Na失去电子，生成Na+穿过陶瓷隔离膜，与正极电解液中的Cl-结合为NaCl。电池的运行温度为270-350℃，开路电压2.58V（300℃），电子转移数为2。

三 电池单体结构与工艺

电池采用Ni粉和NaCl作为正极极原材料，NaAlCl4作为液体电解质，陶瓷管作为隔离膜，Na为负极材料。请注意，此处的陶瓷电解质就是β"-Al2O3陶瓷管，与NaS电池一样。陶瓷管内填满Ni粉、食盐以及NaAlCl4的混合物，正极铜或镀镍铜棒作为集流体插入其中，陶瓷管与不锈钢外壳之间为金属Na，物料压实，顶部密封。

跟其他电池相比，斑马电池结构有着明显的特色：

（1） 制作电池时只需装入正极原料，通过首次充电Ni和NaCl的反应，在负极生成Na，同时正极形成Ni和NiCl2的混合物。如此以来，电池制备过程无液态钠操作，制作过程更加高效与安全，个人以为，这一点是斑马PK钠硫的重要法宝，钠硫甘拜下风。

（2） 固体和液体同时作为电解质，电池工作过程中，钠离子在液体NaAlCl4和固体陶瓷管共同传导下，往复循环于正负极之间。同时陶瓷管还兼做隔离膜，隔离正负极物质，防止相互接触，产生自放电。老实说，这个极不符合本人口味，我办事钟情于清清爽爽的，是电解质就老老实实传导，不许变态，是隔膜就踏踏实实站岗，严禁出去兼职。

（3）NaCl垂帘听政。无论270℃还是350℃，NaCl始终不会起身将自己的Na+送出，而是通过小太监NaAlCl4代为传送。如下图所示。为什么？我们从物质熔点角度分析，NaCl熔点801℃，NaAlCl4熔点158℃，所以工作温度下NaCl固体颗粒一堆，事实上只能靠NaAlCl4传递。除此之外，Ni熔点1453℃，NiCl2熔点103℃，反应过程NiCl2液体会团聚在Ni颗粒表面。过度的依恋不是什么好事，要知道，NiCl2的导电性能极差，Ni粉颗粒含量不足将直接引起电池欧姆内阻增大，根据文献数据，装入电池的Ni粉与NaCl的比例不低于1.5背，1.7为宜。

四 电池特性

我综合了所有人关于斑马电池的评价，如下：

1 优点：

（1）高开路电压（300℃时为2.58V）

（2）高比能量（理论上为790Wh/kg，实际达100Wh/kg）

（3）高比功率（在80％DOD，2/30CV，30S达150W/Kg）

（4）高能量转换效率（无自放电，100％库仑效率）

（5）  可快速充电（充电30分钟可达50％的放电容量）

（6）长的使用寿命（储存＞5年，充放电循环＞1000周次） 

（7）免维护（全密封结构）

（8） 电池制备在放电状态，无液态钠操作麻烦

（9） 电池损坏时呈低电阻导通状态，在电池组内无需设立旁路系统，无需更换少量（电池总数的5％）损坏的电池。

（10）能承受反复多次的冷热循环考验，无容量和寿命衰退的迹象发生。

（11） 可在－40到70℃的外部条件下工作，其性能与环境温度状况无关。

（12） 可在任何放电状态下随时进行充电，无一些电池讨厌的“记忆效应”。

（13）电池在寿命终止后能全部被回收利用，无环境污染现象。

（14）在270－350℃较宽的温度范围内工作，可提供一定量的热能利用。

在我看来，前7项与锂电池类似，可定义为紧跟其后，后7项可理解为独家优势，综合看来，该款电池和锂电有一拼。老实说，我看了太多电池技术的优点罗列，视觉疲劳中，但斑马的第9条让我眼前一亮，模块中有几个坏电池滥竽充数居然不影响正常运行！值得回味。

2 缺点：

（1）  高温、高温、高温！这是斑马电池的痛点。300℃高温实时考验着材料的寿命，除此之外，为维持高温，必须增加辅助加热设备，增加了额外的电能消耗，以SoNick Z5系列为例，额定17.8kwh模块的热损失约为90W。

（2） 陶瓷管破裂风险。与NaS电池类似，陶瓷管是该款电池的核心工艺，它的好坏直接影响电池的性能和寿命，没有这方面的技术积累，请远离Na电池。详细请参考本平台内有关钠硫电池的文章。

五 单体参数

下表为FZ SoNick Z5模块采用的ML/8电芯参数，单体电压2.58V，额定容量51.6Wh，额定20Ah，最大放电电流80A，单体重约0.5kg，比能量111Wh/kg，峰值功率102W，尺寸15cm高，3.6cm方形截面。

六  电池模块

模块是由多个电池单体串联或并联组合而成，并综合辅助热管理系统，电池监控单元、外加保温结构设计，如下图所示。以GE公司DurathonG5模块为例，开路电压578V，每组电池由224节电池串联而成，2小时率功率8kw，额定容量32AH，总重量200kg，长65cm，宽80cm，高30cm。 需要指出的是，无论是FIAMM的SoNick还是GE的Durathon，模块的设计专为电动汽车服务。

七 充放电曲线

上图显示的是斑马电池单体在SOC=20%~80%下的充放电曲线，红色曲线条件为充电截止电压2.78V，黑色为2.675V截止并浮充。无论那种情况，可以看出充放电电压比较平坦。

曲线似乎乏善可陈，这里着重讨论电池的过充与过放问题。什么是过充？充电达到额定容量或截止电压之后继续充；什么叫过放？电池放到额定容量或者截止电压后继续放电。对所有电池而言，过充一定会影响寿命，无论铅酸、锂电与镍氢还是液流、钠硫与斑马，不同的是影响与损伤深度，比如铅酸锂电与钠硫，稍微过充就会问题多多，铅酸晰氢，锂电晰锂，钠硫组分变化可能析出晶体，以上将造成容量的不可逆损失。液流和斑马电池对过充的承受能力更强，基本不会立即有严重影响，比如钒电池和锌溴开始阶段可能是溶液浓度的变化以及电池欧姆内阻的增加，斑马电池过充时，液态电解质NaAlCl4会参与反应。以上这些都是可逆的，循环过程可自动恢复，然而继续过充同样会导致液流电池析出气体，改变电解液成分，影响电池容量；

与过充不同的是，过放则并非对所有电池有伤害，一般铅酸DOD低于60%就算过放了，铅碳电池DOD可达80%，过放会造成极板硫酸盐化，不可恢复。锂电池的放电深度DOD很高，可达90%-100%，但过放对电池的损失同样不可逆。液流电池则完全不受影响，比如锌溴液流电池，一段时间以后，还要刻意全部放空，这类似电池的“”RESET“”键。斑马电池过放时为Na与NaAlCl4反应，对过充初期有一定抵抗力。

回到主题，总结斑马电池，是一款对过充过放不敏感的电池，一张图解释，如下。

八  国内外现状

目前斑马电池（钠-氯化镍电池）已实现商品化，全球主要由美国GE运输系统集团，欧洲FZ SoNick SA公司两大生产商。从发展历程看，他们有共同的技术源头。1975年，John J.Werth在美国取得钠-金属氯化物的电化学专利权。英国的β研发公司一直致力于此项电池技术的开发。β研发公司后来并入AEG Anglo Batteries GmbH合资公司，该公司与1994年开始钠-氯化镍电池的流水线生产。在合资公司解约后，钠-氯化镍电池技术全部被瑞士的MES-DEA公司获得，并将其产业化，用于商业市场，商标名称为ZEBRA。2003年4月，β研发公司脱离MES-DEA成立一家独立公司，同年，英国的Rolly-Royce公司与MES-DEA签订为期10年的技术转让协议，对该技术进行陆地到海上的转移。

2010年，MES-DEA和FIAMM组件成立新公司，FZ SoNick SA。该公司总部设在瑞士Stabio，即MES-DEA原工厂所在地。FZ Sonick SA随后推出了 FIAMM SONICK为商标的钠-氯化镍电池，主要应用在电动车、备用电源等领域。电池模块外观与参数如下图。

另外，2004-2006年，GE公司考察了多种储能电池，并结合能力存储，安全和环保等方面的考虑，最终选定钠-氯化镍作为GE介入移动领域的主攻方向。2007年GE收购了英国的β实验室，2009年将Durathon命名的钠-氯化镍电池推进到产业化阶段，并加速在移动和固定市场的应用。 下图为GE斑马电池加工车间。

Durathon模块的产品和参数如下：

九 应用领域

1 电动汽车

德国AEG公司引进斑马电池技术的意图很明显，就是发展电动汽车，看中的是斑马电池的高比能量、安全可靠寿命长，无自放电无记忆可快充，这些方面可把铅酸电池甩出几条街。但是请注意，在1980年代，锂电池还没出生，锂离子电池诞生商业化时间是1991年。锂电的比能量更高，单体寿命更长，这让斑马陷入了两难。从目前形式推断，家用汽车市场应该没斑马电池什么事了，理由只给一个，斑马是高温电池，即使停在车库，也会消耗大概90W的功率，相当于打开4盏LED灯，或者开了一台电视机。

斑马电池再电动汽车还有前途吗？我认为有，应用对象是长时间，不间断、规律性运行的车，如物流车，货车等。别忘了斑马电池的高低温性能和可靠性要胜过锂电池，还有一点，若锂电池模块中一个单体有故障而不理会，其他电池也将很快坏掉。斑马电池却不一样，坏一个可不去理会，且不影响运行，待车到站后再维修。

2 舰艇

1998年荷兰皇家海军对AGE公司的斑马电池进行了潜水艇装艇艇试性能测试，2005-2006年英国海军也对斑马电池进行测试。综合性能有以下几点：

（1） 高电压高电流充电对电池性能无明显影响，可大幅度缩减充电时间；

（2） 大电流放电持续时间方面完爆铅酸电池；

（3） 斑马电池单体故障对电池充放电性能几乎没有影响，具有极好的但电池故障隔离能力。

3 储能

我必须说，搞斑马电池的公司太钟情于电动汽车，储能也是一个应该考虑的应用。我认为在储能领域，斑马电池将会是钠硫电池的强力竞争对手，因为它们在同一温度范围内，至于跟其他储能技术的对比，我还不能下结论，一切要看斑马电池本身的技术进步与应用实践。如果我来给方案，我会把斑马电池作为混合储能系统中的一种，因为我会担心外部失电，引起电池温度骤降，关键时刻采用其他电池加热保温。

好了各位，以上便是我对斑马电池的认识。这里也发出感慨，好事多磨，β研发团队从80年代开始历经三十年，开发工匠黑发变白发，孜孜不倦，与资本分分合合，才造就今天的成绩，天下斑马出一家。为正在储能技术实践路上摸索的你我他树立了很好的榜样。

这篇文章杂糅了很多斑马电池资料，为了尊重它们的成果，我列出资料名字，见参考资料。

参考资料：

（1）Guosheng Li,* Xiaochuan Lu, Cell degradation of a Na–NiCl2 (ZEBRA) battery.  Journal of Materials Chemistry A ,2013

（2）Cord-H.Dustmann， Advances in ZEBRA batteries. Power source.

（3） Zhenguo Yang,* Jianlu Zhang ,etc.Electrochemical Energy Storage for Green Grid. Chemical Review

（4） R. N. Bull, A.R. Tilley，Development of New Types of Zebra Batteries for Various Vehicle Applications，2001

（5） 贾旭平 GE运输系统集团Durathon钠镍电池，电源技术

（6） 《Technical data ZEBRA SoNick® Battery Type Z5》

（7） 曹佳弟，ZEBRA(钠—氯化镍)电池的研究新进展，电源技术，1999

（8） Storage Technologies for Hybrid Electric Buses. Electrochemical Energy Conversion and Storage Systems Group RWTH Aachen University, Germany

（9） 《The Sodium Nickel Chloride“Zebra” Battery》

（10） 吴雄学，《钠-氯化镍电池舰艇应用研究综述》

（11）《 熔盐蓄电池 》 东北大学PPT