電液濃度對(duì)大功率鋅銀一次電池影響的研究

白艷燕+辛安

摘 要：在大功率鋅銀一次電池設(shè)計(jì)中，均采用KOH溶液作為電解液，而1.3dKOH溶液由于活性好、電導(dǎo)率高，因此被廣泛使用。本文針對(duì)某型鋅銀一次電池的特點(diǎn)，經(jīng)過理論分析和實(shí)效驗(yàn)證后，成功將1.4d的KOH溶液應(yīng)用于某型一次電池組中，解決了某型某型鋅銀一次電池組在使用1.3dKOH溶液作為電解液時(shí)存在的高溫放電時(shí)電液汽化、后期容量不足而導(dǎo)致電池組失效等難題。

關(guān)鍵詞：鋅銀一次電池；KOH溶液

1 概述

作為魚雷動(dòng)力電池使用的鋅銀一次電池要求激活時(shí)間短，電壓精度高，因此在設(shè)計(jì)時(shí)基本采用活性好，電導(dǎo)率高的1.3dKOH溶液作為電解液以滿足一次電池高性能的要求。

某型一次電池組是我所自行研制的鋅銀一次電池組，不僅有著激活時(shí)間短、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，而且還有普通大功率鋅銀一次電池組所沒有的電池組濕壽命6h、低溫環(huán)境下不允許加熱電解液等特殊要求。為滿足這一苛刻的要求，我們選擇了特制的隔膜作為電池隔膜，以解決上述技術(shù)要求。

雖然在使用該隔膜作為電池組隔膜后解決了電池組在低溫環(huán)境下放電的技術(shù)要求，但在高溫環(huán)境放電時(shí)總存在后期電性能急劇下降，電液汽化等問題。經(jīng)過理論分析和實(shí)效驗(yàn)證后，發(fā)現(xiàn)主要是由于在使用1.3dKOH溶液作為電池組電解液時(shí)，在高溫環(huán)境下對(duì)隔膜的腐蝕性較大。在放電后期，易出現(xiàn)隔膜微短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電液汽化，從而造成容量下降迅速使電池組失效。本文提出使用1.4dKOH溶液作為該電池的電解液，既解決了電池組在高溫情況下電液汽化、容量損失的問題，又不影響電池組在低溫環(huán)境下的電性能。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

在大組合實(shí)際放電過程中主要解決的是電池組因溫度上升而導(dǎo)致隔膜微短路的問題。如果使用大組合電池組做該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，一是成本較高，二是加工周期較長(zhǎng)，因而我們采用5單體的小組合槽內(nèi)裝3個(gè)間隔的單體電池。小組合周圍使用泡沫進(jìn)行保溫以模擬實(shí)際電池組在放電時(shí)溫升的現(xiàn)象，圖1為模擬大組合電池組放電的小組合示意圖。

2.2 試驗(yàn)方法

在高溫情況下，小組合電池在50℃環(huán)境中恒溫12h，然后在常溫環(huán)境中激活后濕擱置1h，5A放電3s后，轉(zhuǎn)30A放電2s，最后以13A放電5h，以模擬電池在實(shí)際大組合中的環(huán)境條件。在低溫情況下，則是采用5單體槽裝入5單體的小組合做自動(dòng)激活試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方法為在0℃環(huán)境中恒溫12h后，在低溫環(huán)境中激活，11s后加載放電，放電制度為5A放電3s后，轉(zhuǎn)30A放電2s，最后以80A放電45min。

2.3 性能測(cè)試

2.3.1 高溫電性能

在測(cè)試高溫性能時(shí)，每個(gè)單體內(nèi)部裝入一熱電偶用以測(cè)量單體電池內(nèi)部溫度，觀察電池放電過程中溫度變化情況，并用巡檢儀記錄單體電池電壓變化。用溫度的斜率變化情況來考察電液對(duì)隔膜的影響，用電壓的變化來考察電液濃度對(duì)單體電池性能的影響。K為小組合電池在放電期間溫度上升的斜率，V為其放電5h時(shí)的電壓值，為放電5h的平均電壓。

2.3.2 低溫電性能

在激活11s后即開始放電，在放電期間，以各個(gè)放電階段最低電壓值以及電池組（折合電池組）平均電壓來考察低溫環(huán)境中的電性能。

3 結(jié)果與討論

3.1 高溫性能測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證不同電液濃度對(duì)電池組電性能的影響，分別采用1.3dKOH溶液、1.4dKOH溶液作為電解液，在高溫情況下進(jìn)行放電對(duì)其電性能進(jìn)行考察，同時(shí)測(cè)量電池內(nèi)部溫度變化情況。圖2為高溫情況下兩種不同濃度電液放電時(shí)電壓與溫度變化曲線。表1為其內(nèi)部溫度上升的斜率、終止電壓值V以及5h放電平均電壓值V。

由圖2可以看出，如果電池不出現(xiàn)短路現(xiàn)象，1.3d與1.4dKOH溶液作為電解液在電壓性能方面就無明顯差別，但是從電池內(nèi)部溫度上升的趨勢(shì)來看，兩者電池內(nèi)部溫度均為線性變化趨勢(shì)，而由表1可以看出，使用1.4dKOH作為電解液的溫度斜率明顯低于以1.3dKOH作為電液的溫度斜率。當(dāng)溫度急劇上升時(shí)，相應(yīng)就會(huì)出現(xiàn)電壓急劇下降的現(xiàn)象。以上試驗(yàn)說明，溫度與電池在后期是否會(huì)發(fā)生微短路現(xiàn)象有著必然的聯(lián)系。當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時(shí)，對(duì)隔膜的損害就會(huì)加大，同時(shí)影響電池的電性能。而使用1.4dKOH作為電解液時(shí)則可以減少這種由于溫升而造成電池微短路的情況。

3.2 低溫性能測(cè)試結(jié)果

由于低溫放電不存在高溫情況下溫度上升影響隔膜微短路的情況，因此在低溫性能測(cè)試時(shí)主要考察在采用1.4dKOH溶液作為電解液后是否會(huì)影響電池在低溫下的啟動(dòng)電壓。試驗(yàn)由5小組合電池采用自動(dòng)激活方式激活后，測(cè)量電池組在脈沖階段最低電壓值、放電終止電壓及45分鐘平均電壓來考察其電性能情況。表2為（1.3dKOH）小組合電池低溫測(cè)試各階段放電參數(shù)。表3為（1.4dKOH）小組合電池低溫測(cè)試各階段放電參數(shù)。

通過表2、表3可以看出，在低溫放電時(shí)，在采用1.4dKOH溶液作為電解液后，雖然較1.3d電性能要差一些，但仍然滿足技術(shù)指標(biāo)要求。因此可以說使用1.4d溶液作為電解液基本不影響某型電池組在低溫情況下的電性能，同樣能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。

3.3 討論

為便于找到兩種不同電液濃度對(duì)電池性能及溫升產(chǎn)生顯著差距的原因，我們對(duì)比了一下兩種電液的一些基本參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)放電完畢的電池進(jìn)行了解剖來分析其原因。表4為其基本參數(shù)的對(duì)比情況。

在放電過程中，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)規(guī)律性現(xiàn)象，凡是在使用1.3d作為電解液的單體電池，在放電至5h時(shí)，電池內(nèi)部溫度都超過了100℃，且在解剖后發(fā)現(xiàn)隔膜存在粘結(jié)鋅極板的現(xiàn)象，同時(shí)在隔膜折疊處出現(xiàn)了微孔。而在使用1.4d作為電解液的單體電池中，電池內(nèi)部溫度最高也只達(dá)到了90.61℃。1.4d綜合性能要優(yōu)于1.3d電池的原因主要有兩個(gè)方面，一方面1.4dKOH溶液對(duì)隔膜的腐蝕作用要弱一些，在放電后期，隔膜不會(huì)出現(xiàn)微短路而導(dǎo)致溫度急劇上升的現(xiàn)象；另一方面1.4dKOH溶液熱容較1.3dKOH溶液要高，即使存在同樣的積累放電熱量，電液開始汽化的時(shí)間肯定會(huì)延后，從而解決因?yàn)殡娨浩率谷萘繐p失的問題。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)不同電液濃度下電池組溫升及濕壽命的研究，找出并分析了電液濃度、電池組溫升、電性能三者之間的關(guān)系。針對(duì)某型電池組的特點(diǎn)，使用1.4dKOH溶液作為電解液可以解決電池組在高溫情況下電液汽化、后期容量不足而導(dǎo)致電池組失效的問題。endprint