魚雷電池進展

劉 勇， 陳洪鈞

（海軍駐天津地區(qū)兵器設備軍代表室，天津300381）

電動魚雷是海軍重要的反潛、反艦水下兵器。在電動力魚雷中，電池作為推進電機電源，要在幾分鐘到十幾分鐘直至三十分鐘內(nèi)釋放出數(shù)十至數(shù)百千瓦的能量。因此對電池組提出了較苛刻的要求。經(jīng)過世界各國長期實踐和檢驗，目前應用廣泛的為鋅銀電池、鎂/氧化銀海水電池，先進的鋁/氧化銀電池和鋰亞硫酰氯電池等。

1 鋅銀電池

鋅銀電池是目前國內(nèi)使用最廣的水中兵器裝備動力電源，應用于多型魚水雷，潛艇模擬器和誘餌。鋅銀一次電池主要應用于魚水雷；鋅銀二次蓄電池主要應用于操雷及訓練用裝備，一些深潛器也使用大容量鋅銀二次蓄電池。

因為鋅/氧化銀電池的單極性和雙極性電池用在水下魚雷，已經(jīng)有很長的歷史。意大利和法國公司，制造的MU90/IMPACT魚雷（重魚雷和輕魚雷）都采用模塊化設計，應用各種結構的鋅/氧化銀電池組。德國隨著戰(zhàn)術和技術發(fā)展需要，對服役的魚雷各結構部分進行分期改進，制定了更新結構計劃，包括電源部分，如德國的SEEHECHTCM2A4魚雷的技術理念是提供的武器具有杰出的水平，通過系統(tǒng)元件的逐步改進及對魚雷性能和能力改進，生產(chǎn)出這種魚雷的下一代產(chǎn)品。

2 鋁/氧化銀電池和鋁/過氧化氫半燃料電池

鋁是理想的負極材料，但目前鋁陽極在化學電源中并沒有得到大規(guī)模的應用，其制約因素主要有：(1)鋁表面容易形成鈍化膜，極化嚴重；(2)鋁容易與介質(zhì)發(fā)生嚴重析氫反應，利用率較低；(3)堿性介質(zhì)中，鋁陽極成流反應和腐蝕反應產(chǎn)物均為Al(OH)3，膠狀的Al(OH)3不但降低電解質(zhì)電導率而且增加鋁陽極極化，使得鋁電池性能惡化。針對不同的功率需求，目前應用于水下環(huán)境中的鋁電池主要有鋁-氧化銀電池和鋁-過氧化氫半燃料電池。

2.1 鋁-氧化銀電池

Al/AgO電池以Al合金為負極，AgO為正極，以溶解有KOH或NaOH的海水為電解液。這種電池適合用于大電流放電，單體電池在1000 mA/cm2工作時仍可保持1.6 V左右的電壓。電池段比能量可以達到130 Wh/kg以上，質(zhì)量和體積比功率分別可以達到1200 W/kg和2000 W/dm3。

在歐洲，鋁/氧化銀電池在電動魚雷上已得到較成熟的應用。法國核潛艇裝備的改進型“黑鯊”魚雷，據(jù)稱由意大利WASS公司與法國DCN公司聯(lián)合開發(fā)，采用Al/AgO電池推進。另外，歐洲魚雷公司已有聯(lián)合銷售和升級的計劃，德國的SUT、DM2A4，法國F17Mod2等重型魚雷都可能采用鋁/氧化銀電池進行升級。

美國和亞洲國家也都對Al/AgO電池給與了高度的關注。美國西屋公司曾報道了用于重型魚雷的600 kW鋁/氧化銀電池，該電池采用兩個模塊的并聯(lián)設計，以實現(xiàn)大功率輸出。在亞洲，韓國自主研發(fā)的反潛魚雷也采用了鋁氧化銀電池驅(qū)動水噴射推進器。

2.2 鋁-過氧化氫半燃料電池

與鋁氧化銀電池相比，鋁-過氧化氫半燃料電池的比功率較低，一般只有50～200 W/kg，但它具有更高的質(zhì)量比能量（電池本體330 Wh/kg）和體積比能量（360 Wh/dm3），而且成本只有Al/AgO電池的1/3。該電池是以鋁為陽極材料，過氧化氫為陰極反應物質(zhì)，電解質(zhì)為高濃度的NaOH或KOH溶液。500～800 mA/cm2的電流密度工作時，單體電壓可以達到1.2～1.4 V。這種電池屬于“準一次電池”，在放電結束后，電池可以通過更換鋁電極和雙氧水來進行機械方式的“充電”。

目前，Al-H2O2半燃料電池主要在AUVs（水下自航器）推進上。這種水下探測裝置的航速一般只有4節(jié)左右，對推進電源的輸出功率要求不高（1 kW左右）。AUVs可用在深海資源的勘查、軍事偵察和水下無人武器系統(tǒng)等國防科技領域，已經(jīng)受到歐美等發(fā)達國家的重視。加拿大Fuel Cell Technologies公司采用 Al-H2O2燃料電池系統(tǒng)為美國 Mbari，Bluefin AUV提供動力，下潛到水下4500m，在300 W功率下可連續(xù)工作270 h（能量為80 kWh）。美國Alupower公司也研制成功Al-H2O2燃料電池AUV動力系統(tǒng)，并有少量產(chǎn)品投放市場。

除了鋁電池的共性問題——鋁陽極的析氫和表面鈍化外，Al-H2O2半燃料電池存在的技術問題主要是，H2O2電還原活性較低并分解釋放氧氣。因此目前的研究工作主要集中在高性能的電極結構和陰極催化劑上。

3 鎂電池

水激活電池主要用作魚雷的動力電源，按照電化學體系又可細分為鎂/氯化亞銅電池、鎂/氯化銀電池等。鎂陽極系列電池主要用作一部分引進裝備的替代電源，鋁/氧化銀電池作為新型高比能量一次電池，已經(jīng)開始在裝備上批量使用。從電位和理論容量來看，鎂也是較好的負極材料。制約鎂應用為負極材料的主要問題有兩個：一是在水溶液中鎂負極表面容易形成鈍化膜，導致它實際的電勢比理論電勢要正的多；第二個是鎂負極在水溶液中會有較大的自腐蝕，庫侖效率較低。針對這些問題，目前主流的解決途徑就是鎂材料的合金化和電液添加劑的使用。

近年來，關于鎂海水電池的報道主要集中在中小功率方面，中等功率的鎂海水電池一般采用過氧化氫等作為陰極；小功率的鎂電池，則直接使用海水中溶解的氧氣作為陰極活性物質(zhì)。

4 鋰系列一次電池

鋰系列一次電池包括鋰/亞硫酰氯電池、鋰/二氧化硫電池和鋰/二氧化錳電池等。此類電池在中小電流密度放電條件下的比能量高、電池荷電貯存時間長，因此可作為魚水雷的引信、儀表和值更電源。

4.1 鋰水電池

鋰水電池負極為金屬鋰，正極為鎳片或惰性金屬，電解液為堿性水溶液。電池直接以水作為陰極活性物質(zhì)，理論比能量8000 Wh/kg，比非水電解質(zhì)的鋰電池高得多，而且鋰在堿性溶液可以高速溶解，適合大電流工作。因此，鋰水電池是具有良好發(fā)展前景的水下電源之一。

從目前國內(nèi)外的報道來看，鋰水電池研究工作主要集中在有效控制鋰電極自腐蝕上。主要的思路有三種：（1）鋰電極的合金化；（2）電液添加劑的使用；（3）在鋰電極表面制備人造膜。

鋰在堿性溶液中容易形成LiOH鈍化膜，在一定的條件下，膜的溶解速度和生成速度可以達成動態(tài)的平衡。人們希望通過合金元素和電解液添加劑的使用對膜的性質(zhì)加以調(diào)節(jié)。最理想的狀態(tài)是膜內(nèi)Li+導通而H+不能透過，這樣的結構就可以在鋰溶解的同時不發(fā)生析氫反應。

4.2 鋰亞硫酰氯電池

鋰-亞硫酰氯是一種非水無機電解質(zhì)電池，使用溶有LiAlCl4的亞硫酰氯作為電解液，其中亞硫酰氯既是電解質(zhì)溶劑又是陰極活性物質(zhì)。負極為金屬鋰，正極一般為安裝在不銹鋼片上的有shawinigan碳和特氟龍的冷壓片。

該電池的主要優(yōu)點是：（1）比能量高，電池本體的質(zhì)量比能量和體積比能量分別可以達到420 Wh/kg和800 Wh/dm3；（2） 低溫性能好，工作溫度－55～85℃，（高溫電池－55～150℃）（3）濕儲存壽命長，可以達到5年以上。

但Li/SOCl2電池存在電壓滯后及安全性問題：（1） 鋰電極在儲存時表面容易形成一層致密的LiCl保護膜，這層膜電子絕緣，Li+導電，LiCl膜隨貯存而加厚，從而導致電壓滯后；（2）在短路或重負荷下，電池容易熱失控。

美國亞德尼公司為聲納浮標試制的Li/SOCl2電池用于大功率脈沖放電。電池采用雙極性結構，陰極采用比表面積60m2/g和比表面積＞1000m2/g的高比表面積碳粉混合壓制，正負極間采用玻璃纖維隔離，單體間采用熱塑性材料密封，電解質(zhì)為1.6 mol/L的LiGaCl4。

4.3 鋰離子電池

(1)結構電池

結構電池由高強度的聚合物纖維和聚合物鋰離子電池組成，既能提供能量又能起到承力結構件的作用。這種設計將電源系統(tǒng)和結構支撐系統(tǒng)合二為一，克服了塊狀電池和質(zhì)量大、體積大的缺點，不僅可以減輕質(zhì)量，還可以擴大有效的裝載空間。

在聚合物鋰離子電池中，隔膜、正極膜、負極膜均是有一定機械強度的聚合物膜，集電體（銅網(wǎng)、鋁網(wǎng)）也可以提供一定的力學支撐，加上包裝膜的機械強度，通過合理的設計可以滿足受載要求。

(2)動力電池

鋰離子電池作為動力電池在水下環(huán)境中應用，最初是從小型的UUV開始的，隨著高倍率性能和安全性的不斷提高，逐步應用于魚雷等水中兵器的推進上。目前，鋰離子電池在操雷上的應用已日趨成熟，有逐漸取代鋅銀電池的趨勢。與鋅銀電池相比，鋰離子電池在比能量、循環(huán)及濕儲存壽命、制造和維護成本方面都具有絕對的優(yōu)勢。因此新型的電動魚雷一般都采用鋰離子電池進行訓練。

5 展望

對魚雷電源，鋅銀電池的技術進步已趨于極限，鎂氯化銀和鋁氧化銀海水電池都有一定的局限性，要和先進SCEPS熱動力推進系統(tǒng)競爭，發(fā)展Li/SOCl2電池是較好的選擇，經(jīng)過多年實踐，世界各國都趨于采用流動電解液途徑，技術難度相當大，還需要有一定的時間，采用綜合工程技術，才能解決其安全方面的問題，真正進入實用階段[1-2]。

[1]張宇文.魚雷總體設計原理與方法[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，1998.

[2]吳和聲，徐杏欽.高科技背景下的魚雷武器[J].魚雷技術，2003,1(3):1-5.