在深海載人潛水器上應(yīng)用的鋅銀電池

楊申申，王 瑤，張 偉，謝 飛

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在深海載人潛水器上應(yīng)用的鋅銀電池

楊申申，王 瑤，張 偉，謝 飛

（中國船舶科學(xué)研究中心深海載人裝備國家重點實驗室，江蘇無錫214082）

鋅銀電池以其比能量高、放電電壓平穩(wěn)、高安全等特點，在深海載人潛水器上得到廣泛應(yīng)用。本文從承壓性能、析氣量、絕緣性能三個方面論述應(yīng)用于“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鋅銀電池關(guān)鍵技術(shù)的解決。通用“蛟龍?zhí)枴睗撍鞯膽?yīng)用表明該電池在7000m水下環(huán)境中工作時安全可靠。

鋅銀電池 載人潛水器 深海

0 引言

大容量鋅銀電池具有比能量高、放電電壓平穩(wěn)、安全可靠等特點[1,2],在深海載人潛水器上得到廣泛應(yīng)用。以“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器為例，鋅銀電池擔負著為各種機電設(shè)備提供動力源及儀器儀表電源的任務(wù)。與陸用鋅銀電池不同，深海載人深潛器用鋅銀電池需要具備以下幾個特點：1）電池組能承受海底高壓環(huán)境，并能適應(yīng)載人潛水器上浮及下潛時壓力的迅速變化，如“蛟龍”號載人潛水器鋅銀電池可在最大71 MPa環(huán)境壓力及最大每小時36 MPa的壓力變化率下正常工作。2）電池必須采取措施，防止電解液在電池氣體析出時被帶出進入絕緣油，引起電池間的短路。3）絕緣性能佳，濕態(tài)電池置于充油容器內(nèi)經(jīng)數(shù)個充放電周期后，單體電池極柱對外殼絕緣電阻應(yīng)不低于5 MW。

本文將從承壓性能、析氣量、絕緣性能三個方面簡要地論述鋅銀電池關(guān)鍵技術(shù)的解決。

1 鋅銀電池關(guān)鍵技術(shù)

1.1 承壓性能

為了承受深海的高壓,應(yīng)用于載人潛水器上的電池箱和電池一般采用充油壓力補充式的耐壓結(jié)構(gòu)。圖1和圖2為“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的電池箱和電池結(jié)構(gòu)圖。

圖2 單體電池結(jié)構(gòu)圖

電池箱的耐壓結(jié)構(gòu)包括氣體單向閥、放油口、橡膠皮囊和電池箱殼等部件，電池單體直接固定在電池箱中，周圍充滿絕緣油。當電池箱的外界壓力增大時，壓力通過皮囊傳遞到箱內(nèi)，絕緣油壓縮，皮囊內(nèi)陷，箱體內(nèi)、外壓平衡。這種壓力傳導(dǎo)方式可避免電池箱體發(fā)生形變,從而有效地保護了電池箱的安全。此處單向閥是作為安全閥使用，當內(nèi)壓意外增大時，單向閥打開，氣體排出，對箱體起保護作用。

電池的耐壓結(jié)構(gòu)原理與電池箱的耐壓結(jié)構(gòu)基本相同。在“蛟龍”號載人潛水器鋅銀電池研制過程中，由于單體電池的多孔極板及纖維素膜屬受壓形變較大的物質(zhì)，在高壓環(huán)境下內(nèi)部物質(zhì)體積收縮較快，必須補充適量絕緣油以達到箱內(nèi)外壓力平衡。為解決這一關(guān)鍵技術(shù)，在單體電池結(jié)構(gòu)設(shè)計時以隔離層的形式增加了補償囊腔?？紤]到可維護性，蓄電池箱的電池采用單層布置，特別是主蓄電池箱受框架布置位置限制，底面積較小，蓄電池高度很高，這對制作細長極板帶來困難。在原有技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了技術(shù)改進，采用加固型銀絲網(wǎng)及特制模具，滿足要求的條形薄極板試制成功。

為考核充油式壓力補償耐壓結(jié)構(gòu)的實際效果，同時為獲取電池箱上壓力補償器的補償量，在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器鋅銀電池研制過程中專門設(shè)計了一套電池壓力筒試驗裝置，對這些電池進行了壓力筒模擬加壓試驗。壓力筒試驗表明，在71MPa壓力下，電池有不低于6.4％的壓縮率。壓力筒試驗前后電池放電性能對比結(jié)果表明其電容量沒有變化，電池也完好無損。

1.2 析氣量

鋅銀蓄電池負極上容易發(fā)生析氫反應(yīng)而產(chǎn)生氣體。在水下高壓環(huán)境下，氣體被壓縮，當潛水器上浮時，隨著壓力迅速的降低，電池產(chǎn)生的氣體體積將快速地增大。在氣體逸出單體電池殼體時會夾雜電解液進入到絕緣油中，降低絕緣油的絕緣電阻，引起電池之間的短路。因此，減少電池放電時的析氣量成為鋅銀蓄電池關(guān)鍵技術(shù)。在“蛟龍?zhí)枴陛d人潛水器的研制過程中，利用正交試驗原理，對極板（尤其是負極鋅極板）進行了多種配方研究，先后投入三十多只電池進行全壽命循環(huán)測試，挑選出最佳配方。圖3中列出的三種配方的析氣量比較圖。其中，方案1按照綠色環(huán)保電池原則，在負極極板中加入多種添加劑，在模擬試驗中達到析氣量0.08 ml/Ah左右，小于0.1 ml/Ah的要求，達到設(shè)計指標。

1.3 絕緣性能

由于電池電解液是導(dǎo)電的堿性物體，在充放電過程中產(chǎn)生的氣體從單體電池排出時容易攜帶出部分電解液而進入絕緣補償油中，這將導(dǎo)致絕緣油的絕緣性能急劇下降。在上個世紀七十年代7103艇在使用充油式補償結(jié)構(gòu)時就曾發(fā)生過這種情況?！膀札?zhí)枴陛d人深潛器用鋅銀蓄電池與之相比，其電池容量、承受壓力及壓力變化率更大，尤其在潛器返回而減壓時，使用中產(chǎn)生的氣體更易帶出電解液，析氣對絕緣影響的問題更為突出。為此，“蛟龍?zhí)枴表椖恐凶鳛榧夹g(shù)攻關(guān)措施設(shè)計了專用氣帽來吸收部分電解液。絕緣措施除延用氣帽的技術(shù)措施外，還在補償界面增加了一道固態(tài)透氣隔膜。另外一種方案在其間增加了一層第三種液態(tài)層以充當隔膜功能。經(jīng)過試驗表明，采用第一種方案，經(jīng)五個充放電循環(huán)后用500MΩ表測補償油絕緣電阻，仍為無窮大。

2 結(jié)論

本文簡要論述了應(yīng)用于“蛟龍?zhí)枴陛d人深潛器鋅銀電池的關(guān)鍵技術(shù)，以及在其研制過程中的解決途徑?！膀札?zhí)枴陛d人深潛器經(jīng)過1000米、3000米、5000米及7000米海試，已交付用戶，現(xiàn)已開展應(yīng)用性試驗。鋅銀電池在這一過程中，性能良好，其可靠性也得到進一步驗證：

1）利用充油式壓力補償平衡原理設(shè)計的電池耐壓結(jié)構(gòu)可以承受71MPa的高壓且能適應(yīng)壓力的迅速變化，滿足產(chǎn)品使用要求；

2)電池的專用氣帽加隔膜設(shè)計有效的保證電池箱內(nèi)部絕緣性能；

3)電池的專用氣帽加隔膜設(shè)計可以保證電池箱絕緣油的絕緣性能。

參考文獻:

[1] 郭自強. 在艦船上應(yīng)用的鋅銀電池[J]. 船電技術(shù), 2001, (5): 4-6.

[2] 安東尼, M.阿里泰基斯,曹志華. 用于潛水器的高能量銀鋅電池[J]. 船電技術(shù), 1992,(6): 52-57.

Application of Silver-Zinc Batteries to A Deep-sea Manned Vehicle

Yang Shenshen, Wang Yao, Zhang Wei, Xie Fei

(State Key laboratory of Deep-sea Manned Vehicles, China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

TM911

A

1003-4862（2016）09-0031-03

2016-04-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）課題（2014AA09A110）

楊申申(1981-)，男，碩士，高級工程師。研究方向：潛水器電氣控制。