在深海載人潛水器上應用的鋅銀電池

楊申申，王 瑤，張 偉，謝 飛

?

在深海載人潛水器上應用的鋅銀電池

楊申申，王 瑤，張 偉，謝 飛

（中國船舶科學研究中心深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫214082）

鋅銀電池以其比能量高、放電電壓平穩、高安全等特點，在深海載人潛水器上得到廣泛應用。本文從承壓性能、析氣量、絕緣性能三個方面論述應用于“蛟龍號”載人潛水器鋅銀電池關鍵技術的解決。通用“蛟龍號”潛水器的應用表明該電池在7000m水下環境中工作時安全可靠。

鋅銀電池 載人潛水器 深海

0 引言

大容量鋅銀電池具有比能量高、放電電壓平穩、安全可靠等特點[1,2],在深海載人潛水器上得到廣泛應用。以“蛟龍號”載人潛水器為例，鋅銀電池擔負著為各種機電設備提供動力源及儀器儀表電源的任務。與陸用鋅銀電池不同，深海載人深潛器用鋅銀電池需要具備以下幾個特點：1）電池組能承受海底高壓環境，并能適應載人潛水器上浮及下潛時壓力的迅速變化，如“蛟龍”號載人潛水器鋅銀電池可在最大71 MPa環境壓力及最大每小時36 MPa的壓力變化率下正常工作。2）電池必須采取措施，防止電解液在電池氣體析出時被帶出進入絕緣油，引起電池間的短路。3）絕緣性能佳，濕態電池置于充油容器內經數個充放電周期后，單體電池極柱對外殼絕緣電阻應不低于5 MW。

本文將從承壓性能、析氣量、絕緣性能三個方面簡要地論述鋅銀電池關鍵技術的解決。

1 鋅銀電池關鍵技術

1.1 承壓性能

為了承受深海的高壓,應用于載人潛水器上的電池箱和電池一般采用充油壓力補充式的耐壓結構。圖1和圖2為“蛟龍號”載人潛水器的電池箱和電池結構圖。

圖2 單體電池結構圖

電池箱的耐壓結構包括氣體單向閥、放油口、橡膠皮囊和電池箱殼等部件，電池單體直接固定在電池箱中，周圍充滿絕緣油。當電池箱的外界壓力增大時，壓力通過皮囊傳遞到箱內，絕緣油壓縮，皮囊內陷，箱體內、外壓平衡。這種壓力傳導方式可避免電池箱體發生形變,從而有效地保護了電池箱的安全。此處單向閥是作為安全閥使用，當內壓意外增大時，單向閥打開，氣體排出，對箱體起保護作用。

電池的耐壓結構原理與電池箱的耐壓結構基本相同。在“蛟龍”號載人潛水器鋅銀電池研制過程中，由于單體電池的多孔極板及纖維素膜屬受壓形變較大的物質，在高壓環境下內部物質體積收縮較快，必須補充適量絕緣油以達到箱內外壓力平衡。為解決這一關鍵技術，在單體電池結構設計時以隔離層的形式增加了補償囊腔。考慮到可維護性，蓄電池箱的電池采用單層布置，特別是主蓄電池箱受框架布置位置限制，底面積較小，蓄電池高度很高，這對制作細長極板帶來困難。在原有技術的基礎上進行了技術改進，采用加固型銀絲網及特制模具，滿足要求的條形薄極板試制成功。

為考核充油式壓力補償耐壓結構的實際效果，同時為獲取電池箱上壓力補償器的補償量，在“蛟龍號”載人潛水器鋅銀電池研制過程中專門設計了一套電池壓力筒試驗裝置，對這些電池進行了壓力筒模擬加壓試驗。壓力筒試驗表明，在71MPa壓力下，電池有不低于6.4％的壓縮率。壓力筒試驗前后電池放電性能對比結果表明其電容量沒有變化，電池也完好無損。

1.2 析氣量

鋅銀蓄電池負極上容易發生析氫反應而產生氣體。在水下高壓環境下，氣體被壓縮，當潛水器上浮時，隨著壓力迅速的降低，電池產生的氣體體積將快速地增大。在氣體逸出單體電池殼體時會夾雜電解液進入到絕緣油中，降低絕緣油的絕緣電阻，引起電池之間的短路。因此，減少電池放電時的析氣量成為鋅銀蓄電池關鍵技術。在“蛟龍號”載人潛水器的研制過程中，利用正交試驗原理，對極板（尤其是負極鋅極板）進行了多種配方研究，先后投入三十多只電池進行全壽命循環測試，挑選出最佳配方。圖3中列出的三種配方的析氣量比較圖。其中，方案1按照綠色環保電池原則，在負極極板中加入多種添加劑，在模擬試驗中達到析氣量0.08 ml/Ah左右，小于0.1 ml/Ah的要求，達到設計指標。

1.3 絕緣性能

由于電池電解液是導電的堿性物體，在充放電過程中產生的氣體從單體電池排出時容易攜帶出部分電解液而進入絕緣補償油中，這將導致絕緣油的絕緣性能急劇下降。在上個世紀七十年代7103艇在使用充油式補償結構時就曾發生過這種情況。“蛟龍號”載人深潛器用鋅銀蓄電池與之相比，其電池容量、承受壓力及壓力變化率更大，尤其在潛器返回而減壓時，使用中產生的氣體更易帶出電解液，析氣對絕緣影響的問題更為突出。為此，“蛟龍號”項目中作為技術攻關措施設計了專用氣帽來吸收部分電解液。絕緣措施除延用氣帽的技術措施外，還在補償界面增加了一道固態透氣隔膜。另外一種方案在其間增加了一層第三種液態層以充當隔膜功能。經過試驗表明，采用第一種方案，經五個充放電循環后用500MΩ表測補償油絕緣電阻，仍為無窮大。

2 結論

本文簡要論述了應用于“蛟龍號”載人深潛器鋅銀電池的關鍵技術，以及在其研制過程中的解決途徑。“蛟龍號”載人深潛器經過1000米、3000米、5000米及7000米海試，已交付用戶，現已開展應用性試驗。鋅銀電池在這一過程中，性能良好，其可靠性也得到進一步驗證：

1）利用充油式壓力補償平衡原理設計的電池耐壓結構可以承受71MPa的高壓且能適應壓力的迅速變化，滿足產品使用要求；

2)電池的專用氣帽加隔膜設計有效的保證電池箱內部絕緣性能；

3)電池的專用氣帽加隔膜設計可以保證電池箱絕緣油的絕緣性能。

參考文獻:

[1] 郭自強. 在艦船上應用的鋅銀電池[J]. 船電技術, 2001, (5): 4-6.

[2] 安東尼, M.阿里泰基斯,曹志華. 用于潛水器的高能量銀鋅電池[J]. 船電技術, 1992,(6): 52-57.

Application of Silver-Zinc Batteries to A Deep-sea Manned Vehicle

Yang Shenshen, Wang Yao, Zhang Wei, Xie Fei

(State Key laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TM911

A

1003-4862（2016）09-0031-03

2016-04-15

國家高技術研究發展計劃（863計劃）課題（2014AA09A110）

楊申申(1981-)，男，碩士，高級工程師。研究方向：潛水器電氣控制。