軍用電池技術(shù)現(xiàn)狀

王傳東，劉　勇，石治國

(海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津300384)

軍用電池技術(shù)現(xiàn)狀

王傳東，劉勇，石治國

(海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津300384)

分析了導(dǎo)彈系統(tǒng)用原電池、貯備電池和二次電池三種類型的電池技術(shù)，詳細概述了已商業(yè)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(shù)，介紹了為能源武器系統(tǒng)提供電能的可充電電池。

原電池；貯備電池；二次電池

戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，精確制導(dǎo)炸彈和制導(dǎo)火箭彈等武器系統(tǒng)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(shù)中的任何技術(shù)都不能全面滿足上述系統(tǒng)的應(yīng)用需求。由于電池供電方式受控于武器系統(tǒng)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(jù)是基于其性能能否滿足應(yīng)用領(lǐng)域的使用要求，只要需求繼續(xù)擴展，電池種類和電化學(xué)體系種類也會隨之發(fā)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(yīng)用情況。

1　原電池

鋰原電池是指以金屬鋰為負(fù)極的一次電池，具備單體電壓高，比能量高、工作電壓平穩(wěn)、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(lián)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(jù)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(rèn)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(chǎn)廠家較多，但由于材料的毒性以及使用不當(dāng)時電勢急劇下降，故該電池主要應(yīng)用于軍事應(yīng)用。電池開路電壓約3 V，但低溫時有電壓延遲，應(yīng)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(yīng)用于幾種消費電器如數(shù)碼相機。該電池不含有毒材料，但電解質(zhì)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(wěn)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(fù)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(yè)應(yīng)用，而在軍事領(lǐng)域，其應(yīng)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(shù)尚未用于導(dǎo)彈系統(tǒng)。若能解決這些問題，將具有廣闊的技術(shù)前景。圖2是各種電化學(xué)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(zhì)不與電解質(zhì)直接接觸或電解質(zhì)不導(dǎo)電，使用時注入電解液或電解質(zhì)熔化，從而使其具有活性的原電池。在貯存期間，活性物質(zhì)組分間幾乎不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(nèi)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(fù)極活性物質(zhì)和電解質(zhì)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(zhì)，使電池激活，因此也稱激活電池。根據(jù)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(tài)，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(zhì)和腐蝕性強的電解質(zhì)溶液，能適應(yīng)大功率用途；可以在低溫下使用，但是激活存在滯后現(xiàn)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(dǎo)電的固體鹽類電解質(zhì)加熱熔融呈液態(tài)，從而使得正、負(fù)極活性物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，達到工作狀態(tài)的一種貯備電池[1]。可采用外電源或機械能引燃熱電池內(nèi)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(huán)境溫度寬(－50～70℃)，貯存壽命長(10～15 a)、免維護等優(yōu)點，應(yīng)用于各類導(dǎo)彈系統(tǒng)。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(zhì)、負(fù)極機械壓制成的圓形薄片[2]。若干單體按照串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)構(gòu)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(nèi)，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(gòu)成圖。

圖3　熱電池的基本構(gòu)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(tài)的一種鋅銀電池。鋅銀貯備電池電化學(xué)體系包括鋅陽極，氧化銀陰極和氫氧化鉀電解質(zhì)。電池總電化學(xué)反應(yīng)式為：

鋅銀貯備電池結(jié)構(gòu)通常由焊線插座、氣體發(fā)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(lián)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(nèi)，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(chǎn)生一定氣體的氣體發(fā)生器。為了保證在低溫下的使用,電池組內(nèi)還設(shè)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(wěn)定和干儲存壽命長等優(yōu)點，廣泛用于各類導(dǎo)彈系統(tǒng)。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(jié)構(gòu)復(fù)雜、電池生產(chǎn)周期長等缺點。

2.3鋰/亞硫酰氯電池

鋰/亞硫酰氯電化學(xué)體系是一種液態(tài)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(tǒng)，一種是大型貯液器式，一種配有玻璃安瓿。第一種系統(tǒng)是通過多活塞激活將貯液器內(nèi)的電解液壓入電池間，其技術(shù)成本高，工藝復(fù)雜，貯存壽命不可預(yù)測。玻璃安瓿技術(shù)用于數(shù)據(jù)儲存和其他的預(yù)發(fā)射電子裝置。這種電化學(xué)體系環(huán)境適應(yīng)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(qū)別在于其能再充電。電池組的充電裝置可以設(shè)計在電池組內(nèi)，也可以設(shè)計在外面。與原電池一樣，在長擱置武器系統(tǒng)中，二次電池的缺點是溫度適應(yīng)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(tǒng)中應(yīng)用較少。

4　展望

隨著武器系統(tǒng)需求的持續(xù)擴展和性能的不斷提高，對電池技術(shù)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(shù)呈線性提高，但用戶要求電池容量與能量呈指數(shù)增加，即電池技術(shù)的更新速度難以滿足日益增長的使用需求，需持續(xù)開發(fā)新型電化學(xué)體系與電池技術(shù)，為各武器系統(tǒng)的升級與進步提供技術(shù)支撐。

[1]陸瑞生,劉效疆.熱電池[M].北京:國防工業(yè)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(zhì)量監(jiān)督。