UUV鋅銀動力蓄電池的使用技術研究

黃 波，常金達，丁 浩

（1.海軍潛艇學院，山東 青島 266199；2.中國人民解放軍92767部隊，山東 青島 266102）

0 引言

鋅銀蓄電池是20世紀40年代初發展起來的一種化學電源，由于其具有比能量高、比功率大、放電電壓平穩、充電接受能力好、能夠高倍率電流放電等諸多優點，被各海洋強國廣泛應用于無人水下航行器（UUV）的動力系統[1]。鋅銀動力蓄電池的使用技術直接關系UUV的動力性能和任務能力，影響著UUV的實際使用效益和應用前景。深入研究鋅銀蓄電池的使用問題對提升該類電池使用水平和經濟效益具有積極作用。

1 鋅銀蓄電池的技術使用

1.1 鋅銀蓄電池的結構原理

單體蓄電池為一密封的箱式構造，主要由殼體、正極板組（Ag2O）、負極板組（Zn）、隔膜、極柱和電解液（KOH）組成，其結構如圖1所示[2]。

其充放電過程時的電化學反應如下：

圖1 單體蓄電池結構Fig. 1 Structure of single battery

1.2 鋅銀蓄電池的技術準備

鋅銀蓄電池的技術準備是二次電池使用的重要內容，主要包括裝載前的充電和擱置前的放電，確保其性能分別滿足帶載輸出和空載貯存要求。為了精簡系統規模、提高作業效率，一般將單體蓄電池串聯成組、用專用設備進行同步充放電。為避免過充和過放對電池的損傷，要根據電池狀態適時控制充放電的電流；此外，為防止個體品質差異導致的不良影響，要求充放電期間按相關規定測量每塊單體蓄電池的主要指標，確保整組蓄電池的品質和充放電的順利進行。目前充放電期間的監控普遍采用人工輔助完成，對操作人員的技術水平和責任心提出較高的要求。

2 電池過充、過放的機理及防范措施

2.1 電池過充、過放原理及危害

2.1.1 電池過充電原理及危害

鋅銀蓄電池充電時，單體電池電壓超過2.05 V時繼續充電，稱為過充電（簡稱過充）。過充電時，充電電流電解水，分別析出氫氣和氧氣，其化學反應式如下：

負極：2H2O+2e=2OH-+H2↑

正極：4OH-=2H2O+O2↑+4e

過充的具體危害有：

1）析出的氧氣會氧化纖維素隔膜，加速了隔膜的氧化裂解；

2）產生的氣體會造成電池內部壓力增高，引起“漲肚”，使隔膜機械損傷；

3）海綿狀鋅隨氣體析出沉淀到極板上端，易導致蓄電池上部內部短路；

4）氣體的析出又沖刷正極，使正極板上的氧化銀顆粒脫落；

5）過充導致電極表面上的氧化鋅基本上全部被還原，鋅極表面附近電解液中鋅酸鹽離子就要在電極上放電析出金屬鋅。電極微孔中電解液內的鋅酸鹽離子被消耗，如再繼續沉積鋅，只能通過電解外部電解液中的鋅酸鹽離子來實現。由于濃差極化較大，結晶在電極表面的凸出部分優先生長，形成樹枝狀結晶。它一直生長到隔膜之間的間隙，甚至在隔膜的微孔里生長，以致穿透隔膜，造成電池短路[3]。

2.1.2 電池過放電原理及危害

鋅銀蓄電池放電時，單體電池電壓放至 1.3～1.0 V時繼續放電，稱為過放電（簡稱過放）。當單體電壓降至1.0 V左右時，正極過氧化銀和氧化銀基本上都轉變成金屬銀，如果繼續放電，就會促使正負極進行析氣反應[4]，其化學反應式如下：

正極：2H2O+2e=2OH-+H2↑

負極：4OH-=2H2O+O2↑+4e

過放的具體危害有：

1）析出氫氣和氧氣，會促使隔膜的氧化裂解和極板活性物質的脫落，降低蓄電池的使用壽命；

2）嚴重時會使電解液中的鋅酸鹽離子在正極上還原出金屬鋅，其化學反應式為

析出的鋅會堵塞銀電極的微孔，使其顯示出鋅電極的電勢，電壓呈現負值，稱為“反極”[5]，這時電池將無法工作。

顯而易見，過充和過放對于鋅銀蓄電池的危害極大。

2.2 防范電池過充、過放的措施

2.2.1 理解并熟練應用鋅銀蓄電池電勢坪階

1）鋅銀蓄電池電勢坪階概念[6]。

在電池充電過程中，金屬銀氧化為一價氧化銀，隨著一價氧化銀的增多，電極表面被其覆蓋，可參與氧化反應的銀越來越少，電流密度將逐漸增大，電極電勢急劇上升，發生鈍化現象，在鈍化之前為第一個電勢坪階。電壓繼續升高生成二價氧化銀，此后為第二個電勢坪階。

同樣，在電池放電過程中，也有2個電勢坪階。二價氧化銀還原為一價氧化銀，電極表面逐漸被電阻率大的一價氧化銀覆蓋，此過程為第一個電勢坪階。之后反應變得困難，電極電勢向負的方向移動，一價氧化銀開始還原為金屬銀，此后為第二個勢坪階[7]。

2）鋅銀蓄電池電勢坪階規律及應用。

在充電過程中，電池電壓在1.630～1.650 V之間時比較平穩且大約持續3 h，為第一個電勢坪階；之后電池電壓在 1.890～1.950 V之間時大約持續8 h，為第二個電勢坪階。

在放電過程中，電池電壓在1.750～1.700 V之間時間較短，大約只持續20 min左右，為第一個電勢坪階；之后在1.540～1.510 V之間時電壓比較平穩，大約持續8 h，為第二個電勢坪階。

鋅銀蓄電池的使用者應深刻理解電勢坪階的含義和規律，掌握2個電勢坪階的電壓節點及大體時間，按照規律勤測電池電壓。通過提高測判的針對性和科學性，可有效防止電池的過充和過放。

2.2.2 充分掌握并運用充放電規律

在電池的相關資料中[8]，對具體充放電的規定要求較粗，不利于實際應用。為此，應全面掌握電池實際充放電的規律，下面則是通過長期實測總結的規律。

1）充電規律。

在蓄電池組充電過程中，從第一塊單體電池電壓達到 2.05 V至最后一塊單體電池電壓達到1.97 V，即充電終止，充電時間一般在16 h左右，其中包括暫停電池智能充放電機用以跨接達到終止電壓單體電池的時間。

2）放電規律。

在電池放電過程中，第一次化成放電時，多數情況是未到5.5 h已有2只以上電池提前到達1.50 V，轉10 A，之后至所有電池達到終止電壓大約需要4.5 h。第二次化成放電時，多數情況是5.5 h內未有電池提前到達1.50 V，5.5 h后轉10 A，之后至所有電池達到終止電壓大約需要6 h。兩次化成放電時間在10～11.5 h之間，其中包括暫停電池智能充放電機用以跨接達到終止電壓單體電池的時間。

2.2.3 改進監測控制方案

對于人工監測和控制電池充放電，人為因素對預防電池過充、過放電及提高電池充放電效率的影響較大[9]，要求有針對性地科學部署人員分工。為此，結合充放電過程的規律特點，可以按照下述方案進行人員監測部署。

1）前半階段監測部署。

在電池初始充電過程中，9 h以內一般不會有單體電池達到終止電壓（如果首次使用，浸泡不足或者后期電池性能下降，電池可能會在9 h以內到達）。這期間，測量電池電壓的作業強度不大，對人員數量的要求不高，可以按照一組電池2人和兩組電池3人的標準配置人員。

2）后半階段監測部署。

在充電9 h以后，電池會陸續臨近終止電壓，要加快測量頻率，作業強度增大。此時可以按照1組電池5人（1人控制電池智能充放電機，4人測量電池電壓）和2組電池9人（控制充放電機人數與電池組數無關，均1人即可）的標準配置人員。若考慮優化人力資源，可將2組電池的充電啟動時間間隔4 h左右，則也可2組電池配置5人。

電池放電過程中的監測部署可參考充電過程的部署。

2.2.4 成功經驗的推廣應用

1）靈活標識。

在充放電過程中，尤其是當多數電池臨近終止電壓高峰期時，可以對部分臨近終止電壓電池，通過用記號筆在緩沖帽上做記號或者側立、倒立緩沖帽的方法來進行標識。

2）及時測量整體剩余電壓。

由于較大數量電池同時到達終止電壓，而測量人員無法及時測量全部電池且個別電池已處于臨近過充（放）狀態時，可以在暫停電池智能充放電機后，測量剩余電池電壓，與到達終止電壓的已測電池相比較，進行判斷。如果不低于（高于）已測電池電壓，則說明此電池也已充（放）電完畢[10]。

2.2.5 更換先進裝備，實現監測控制自動化

隨著裝備技術的快速發展，越來越多的智能化設備投入社會，進而代替人工操作。作為智能裝備重要組成的監測控制自動化技術已廣泛應用在各個行業，成為現代裝備的典型配置[11]。自動化的智能充放電設備可按照設定程序對單塊電池進行實時監測和充放電控制，有效杜絕電池過充過放的問題，對改善電池性能和質量壽命具有顯著作用。

3 提升鋅銀蓄電池性能的方法措施

溫濕度對電池壽命及使用放電的影響明顯。冬季較低的溫度使得電池電壓的輸出困難，導致UUV的實際航速有所降低。按照常規的充放電方法，經常會出現實際航速提升較慢甚至始終達不到設計速度的現象。在高溫潮濕的夏季，蓄電池的自放電和銀遷移對隔膜的破壞加劇[12]，導致電池性能在后2個使用周期大幅下降，嚴重時幾乎無法使用。由此可見，低溫和濕熱對鋅銀蓄電池的實際使用帶來嚴重影響。針對鋅銀蓄電池的電化學原理，下面分別從“小電流”充放電和低溫貯存2個方面對改善電池性能進行研究。

3.1 “小電流”充放電

3.1.1 “小電流”充放電試驗[7]

從某組已使用2個周期的蓄電池組中隨機選出6塊單體電池，按照規程要求將每塊電池充電至電壓為2.03～2.05 V，對其中的2塊電池繼續以5 A電流進行充電，直至其電壓達到2.05 V。在充電結束4 h后，再對這6塊電池以30 A電流放電3 h，期間每塊電池的電壓變化情況如表1所示。

表1 放電期間電池端電壓實測記錄表Table 1 Test records of battery voltage duringdischarging V

表1數據顯示：05號和06號電池的放電電壓要高于其余電池，這表明“小電流”充電模式可以在一定程度上增加電池的充電容量及擱置后電壓[13]，有利于電池在使用放電過程中保持較高的輸出電壓。

3.1.2 “小電流”充放電實際應用

在某次UUV實航中，用“小電流”充放電方法對蓄電池組進行了充放電。其第 3個周期的充放電數據（如表2所示）明顯有別于常規充放電方法下的數據：電池接放電多 5 Ah，使用充電容量多 7 Ah。通過實航后數據處理也發現：該航次UUV達到速度閥值的時間明顯縮短，后續速度平穩性好。

表2 “小電流”充放電與常規充放電數據對比Table 2 Data comparison between low current and common current charge-discharge

3.2 電池低溫貯存

3.2.1 電池低溫貯存試驗

電池以放電態長時間貯存時，易置于低溫環境[14]，溫度為 0～15℃。如果條件允許，建議將電池置于冰箱中貯存，溫度控制在0℃左右，較低的溫度能夠減少電池的自放電和銀遷移對隔膜的破壞，這在一定程度上能夠提高電池性能，增加電池使用周期、延長使用壽命。

這里選擇某組4個月內已使用5個周期的蓄電池組進行低溫貯存試驗。試驗方案：從該組電池中隨機挑選20塊電池，平均分成2組。一組電池按常規貯存條件貯存，置于12℃的環境中；另一組電池以低溫貯存條件貯存，置于0℃的冰箱中。1個月后，對這兩組電池進行接放電與使用充電測試，具體數據如表3所示。

表3 電池低溫貯存實驗數據對比Table 3 Data comparison between low temperature storage and normal temperature storage Ah

3.2.2 電池低溫貯存應用

選擇了一組 3個月內已使用 5個周期的蓄電池，先進行1個月的低溫貯存，后通過“小電流”充放電，電池放電28 Ah，使用充電123 Ah。將該組電池用于UUV的實航試驗，其實航表現出的動力性能（初始加速度、穩定航速和有效航程等）與配備有效期內電池的UUV相差無幾。

相比之下，以往按照常規充放電方法使用5個周期的蓄電池，在常溫擱置一兩個月后，通過接放電及使用充電查看電池性能指標，發現其使用充電容量明顯低于“小電流”充放電和低溫貯存模式下的電池。

綜上所述，“小電流”充放電和低溫貯存在一定程度上提高了蓄電池性能，增加電池使用循環周期，延長電池使用壽命。

4 結束語

作為UUV動力能源的鋅銀蓄電池，其電池充放電后的性能狀態將直接影響實航性能，關系到相關作業方案的制定和實際作業效益。為此，在鋅銀蓄電池準備過程中，技術人員一定要掌握電池的工作原理和相關規律，嚴格遵守操作規程，科學監測，不斷總結實踐經驗，避免出現電池過放、過充現象，確保電池性能滿足使用要求。此外，“小電流”充放電和電池低溫貯存可有效發掘鋅銀蓄電池的潛能，有助于提高電池實際使用壽命[15]，降低 UUV使用成本。文中所提到的方法措施均得到實踐的檢驗，對提高鋅銀蓄電池的使用水平具有重要參考價值。