軍用電池技術現狀

王傳東，劉　勇，石治國

(海軍駐天津地區兵器設備軍代表室，天津300384)

軍用電池技術現狀

王傳東，劉勇，石治國

(海軍駐天津地區兵器設備軍代表室，天津300384)

分析了導彈系統用原電池、貯備電池和二次電池三種類型的電池技術，詳細概述了已商業化的，為遙感勘測，跟蹤和飛行抵達等提供電能的原電池，重點討論了熱電池，銀鋅電池和亞硫酰氯電池三種貯備電池技術，介紹了為能源武器系統提供電能的可充電電池。

原電池；貯備電池；二次電池

戰略戰術導彈，精確制導炸彈和制導火箭彈等武器系統都需要電池提供能源,其配套電池主要分成以下三個類型：原電池、貯備電池和二次(可充電)電池。這三種類型電池技術中的任何技術都不能全面滿足上述系統的應用需求。由于電池供電方式受控于武器系統的工作模式，也不能說哪種電池供能方式最好。電池種類的選擇依據是基于其性能能否滿足應用領域的使用要求，只要需求繼續擴展，電池種類和電化學體系種類也會隨之發展。在此主要介紹了鋰/二氧化硫、鋰/二氧化錳等原電池，熱電池、鋅銀電池、鋰/亞硫酰氯等貯備電池和二次電池的特點與應用情況。

1　原電池

鋰原電池是指以金屬鋰為負極的一次電池，具備單體電壓高，比能量高、工作電壓平穩、工作溫度范圍寬廣、貯存性能好、攜帶使用方便等特點。目前成熟的原電池主要包括鋰/二氧化硫、鋰/二氧化錳等體系。原電池的形式包括圓柱形、軟包裝和方形電池，一般通過串并聯的方式組成電池組。

近幾年以色列公司推出了鋰/金屬氧化物一次電池，據稱貯存壽命長達20年，具有高比功率特性及大功率脈沖放電能力。圖1為其原電池組的示意圖。

圖1　某原電池組的示意圖

1.1鋰/二氧化硫

一般認為鋰/二氧化硫電池比鋰/二氧化錳電池具有較好的低溫性能和擱置壽命。該體系電池的生產廠家較多，但由于材料的毒性以及使用不當時電勢急劇下降，故該電池主要應用于軍事應用。電池開路電壓約3 V，但低溫時有電壓延遲，應用該體系時需考慮到這一點。

1.2鋰/二氧化錳

鋰/二氧化錳電池與鋰/二氧化硫特點相似，但更易于實用化，已應用于幾種消費電器如數碼相機。該電池不含有毒材料，但電解質易燃。該電池的低溫性能不如鋰/二氧化硫電池好，但鋰/二氧化錳電池在高溫時性能比鋰/二氧化硫電池穩定。

該電池開路電壓約3.2 V，幾乎沒有電壓延遲。事實上，在較低的放電速率下，電池在放電初期受極化的影響，緩慢的建立電壓。如果工作負載能夠控制放電過程的電壓下降，利用緩慢的極化能夠緩解超壓問題。

1.3其他原電池體系

鋰/二硫化鐵、鋰/氟化碳電池也是可用的原電池體系。這些電池一般用于商業應用，而在軍事領域，其應用前景不如鋰/二氧化錳和鋰/二氧化硫電池。鋰/亞硫酰氯原電池比容量很高，但由于電勢延遲，自放電，低溫性能差和安全性問題使該技術尚未用于導彈系統。若能解決這些問題，將具有廣闊的技術前景。圖2是各種電化學體系的性能比較。

圖2　軍用電池體系的性能對比

2　貯備電池

貯備型電池是一種在貯備期間，活性物質不與電解質直接接觸或電解質不導電，使用時注入電解液或電解質熔化，從而使其具有活性的原電池。在貯存期間，活性物質組分間幾乎不發生化學反應，電池可以長時間貯存而僅有很小的衰降，其主要用于短時間內需要提供高功率的場合。種類包括熱電池、鋅銀貯備電池、鋰/亞硫酰氯電池等。

貯備電池是特殊的一次電池，正負極活性物質和電解質在貯存期間不直接接觸，直到使用時才借助動力源作用于電解質，使電池激活，因此也稱激活電池。根據激活方式分有氣體激活電池、液體激活電池和熱激活電池。貯備電池的特點是電池在使用前處于惰性狀態，可以貯存幾年至幾十年；只用一次，可以使用活性高、比能量大的活性物質和腐蝕性強的電解質溶液，能適應大功率用途；可以在低溫下使用，但是激活存在滯后現象。常見的貯備電池包括熱電池、鋅銀貯備電池、鋰/亞硫酰氯電池等。

2.1熱電池

熱電池是用其本身的加熱藥劑把不導電的固體鹽類電解質加熱熔融呈液態，從而使得正、負極活性物質發生電化學反應，達到工作狀態的一種貯備電池[1]。可采用外電源或機械能引燃熱電池內的火工品激活電池。熱電池具有激活時間短(≤3 s)，瞬時輸出比功率高(可達10 kW/kg)，工作環境溫度寬(－50～70℃)，貯存壽命長(10～15 a)、免維護等優點，應用于各類導彈系統。其缺點為工作時間短(＜15 min)，表面溫度高(約為300℃甚至更高)。

熱電池單體是由正極、電解質、負極機械壓制成的圓形薄片[2]。若干單體按照串聯或并聯結構碼成電堆；電堆由玻璃纖維帶纏繞機械捆扎，并用不同形式的隔熱材料包裹后裝入電池殼內，電池殼與電池蓋焊接成一體，確保電池的密封性。圖3是熱電池的基本構成圖。

圖3　熱電池的基本構成圖

2.2銀鋅電池

鋅銀貯備電池是一種特殊的一次性電池，該種電池在貯存期間電堆與電解液是分開的，不具備對外輸出電能的能力，使用時通過某種方式活化(激活)進入工作狀態的一種鋅銀電池。鋅銀貯備電池電化學體系包括鋅陽極，氧化銀陰極和氫氧化鉀電解質。電池總電化學反應式為：

鋅銀貯備電池結構通常由焊線插座、氣體發生器、貯液器、組合極板組、電加熱器、電池組外殼等部件組成。組合極板組由極板組串聯而成，為了長期貯存，電池組在使用前是將電解液和極板組分開存放的，電解液貯存在貯液器內，貯液器通過連接管與組合極板組連接在一起，中間有固定的破裂膜隔開，貯液器的另一端安裝有能產生一定氣體的氣體發生器。為了保證在低溫下的使用,電池組內還設有電加熱器，電加熱器包括溫度繼電器和加熱帶。

鋅銀電池具有比能量高、電壓平臺穩定和干儲存壽命長等優點，廣泛用于各類導彈系統。但是它依然存在很多缺點。例如高低溫性能差、成本高、電池結構復雜、電池生產周期長等缺點。

2.3鋰/亞硫酰氯電池

鋰/亞硫酰氯電化學體系是一種液態儲存原電池，用在比容量更高或工作壽命更長(相對熱電池)的場合。目前鋰/亞硫酰氯電池主要采用兩種系統，一種是大型貯液器式，一種配有玻璃安瓿。第一種系統是通過多活塞激活將貯液器內的電解液壓入電池間，其技術成本高，工藝復雜，貯存壽命不可預測。玻璃安瓿技術用于數據儲存和其他的預發射電子裝置。這種電化學體系環境適應性強，成本低，可靠性高。

3　二次電池

二次電池組與原電池組非常相似，區別在于其能再充電。電池組的充電裝置可以設計在電池組內，也可以設計在外面。與原電池一樣，在長擱置武器系統中，二次電池的缺點是溫度適應性差和擱置衰降，其主要為遙感勘測和飛行末端供電，在貯存要求較高的武器系統中應用較少。

4　展望

隨著武器系統需求的持續擴展和性能的不斷提高，對電池技術的要求越來越高。電池工程師面對的困境是盡管這些年電池技術呈線性提高，但用戶要求電池容量與能量呈指數增加，即電池技術的更新速度難以滿足日益增長的使用需求，需持續開發新型電化學體系與電池技術，為各武器系統的升級與進步提供技術支撐。

[1]陸瑞生,劉效疆.熱電池[M].北京:國防工業出版社,2005

[2]NORRIS H,SHUSTER N,HARNEY D,et al.Design and performance validation of the Li(Si)/LMP/CoS2system[C]//Proceeding of 42nd Annual Power Sources Conference,2006.New Jersey:The Electrochemical Society,Inc.,2006.

Advance of battery technologies for missile applications

WANG Chuan-dong,LIU Yong,SHI Zhi-guo
(Navy Representative in Tianjin,Tianjin 300384,China)

Primary,reserve,secondary battery technologies used in missiles were analyzed in this paper.The commercially available primary batteries for telemetry,tracking,and flight termination were detailed.Thermal, silver/zinc and oxyhalide reserve battery technologies were discussed.Finally,the rechargeable batteries for energy weapons were introduced.

primary battery;reserve battery;secondary battery

TM 911

A

1002-087 X(2016)10-2098-02

2016-06-12

王傳東(1968—)，男，山東省人，本科，主要研究方向為軍用電源研究和質量監督。