多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池

張亞萍,李要民

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

儲(chǔ)備電池也叫激活電池，電極活性物質(zhì)與電解質(zhì)在儲(chǔ)存期間不直接接觸而處于惰性，使用時(shí)通過(guò)動(dòng)力源作用于電解質(zhì)使電池激活[1]。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于鋰儲(chǔ)備電池的研究主要集中于鋰/亞硫酰氯電池[2]，并以小電流放電應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[3]，如通過(guò)焊接全密封結(jié)構(gòu)用于延時(shí)及侵徹的彈體引信[4]。隨著引信技術(shù)對(duì)電池大電流輸出和大容量的需求，鋰/亞硫酰氯儲(chǔ)備電池已不能滿足部分引信的使用要求。

鋰/二氧化錳電池理論上具有較高的輸出功率和容量水平，重負(fù)荷下放電安全，即使偶爾短路也不會(huì)發(fā)生爆炸、燃燒等現(xiàn)象，環(huán)保無(wú)污染，作為引信電源優(yōu)勢(shì)明顯[5]；同時(shí)，鋰/二氧化錳電池的功率特性更有利于提高鋰儲(chǔ)備電池較大電流條件下的容量水平[6]。目前，鋰/二氧化錳電池多為卷堆式原電池結(jié)構(gòu)和層疊電堆的扣式電池[7]，不適用于引信電源抗高過(guò)載沖擊的使用條件，為此本文提出了多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池。

1 鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池

1.1 鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池

鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池中，電解液被封裝于儲(chǔ)液瓶中而與電堆隔離，電池采用全密封焊接結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)電池的長(zhǎng)期貯存性能和密封性能。此外，電池的激活機(jī)構(gòu)可根據(jù)使用環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)，從而擴(kuò)大應(yīng)用面。

1.2 傳統(tǒng)層疊電堆結(jié)構(gòu)對(duì)電池電性能的影響

電壓和容量是衡量電池電性能的重要指標(biāo)。電池正負(fù)極活性物質(zhì)種類確定了電池的額定電壓，電池容量則直接受正負(fù)極活性物質(zhì)的含量影響。

圖1為傳統(tǒng)鋰/二氧化錳電池的電堆結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1(a)所示結(jié)構(gòu)中，電堆僅由較少數(shù)量的電極對(duì)并聯(lián)構(gòu)成，減小了電堆內(nèi)電極的并聯(lián)面積；圖1(b)所示電堆中，大量存在正極與正極、負(fù)極與負(fù)極各自疊堆，使一半的電極不能形成直接經(jīng)隔膜的對(duì)電極，降低了電堆的有效電極面積和單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)的含量，同時(shí)增加了電極活性物質(zhì)的遷移距離，進(jìn)而影響部分電極活性物質(zhì)的電化學(xué)反應(yīng)參與，造成電堆內(nèi)阻的進(jìn)一步增大和電極活性物質(zhì)利用率、活性等的進(jìn)一步降低。這兩種電堆結(jié)構(gòu)在電池電性能上有相同的表現(xiàn)，即限制了電池的輸出功率和容量水平[8]。

圖1 傳統(tǒng)鋰/二氧化錳電池電堆層疊示意圖Fig.1 The pile stack sketch of traditional lithium/manganese dioxide battery

此外，在卷堆式結(jié)構(gòu)的鋰/二氧化錳電池中，盡管電堆結(jié)構(gòu)對(duì)電極面積控制靈活且具有較高的電極面積利用率，但是卷堆過(guò)程中容易在電極邊緣部位形成微短路，降低了電池電性能。

2 多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池

對(duì)于特定電池，其容量等性能指標(biāo)與電池正負(fù)極活性物質(zhì)含量直接相關(guān)，單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)含量則受電堆結(jié)構(gòu)影響。就此而言，增加電池有效電極面積和單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)含量，提高電池電性能，關(guān)鍵在改進(jìn)電池電堆結(jié)構(gòu)。

2.1 多片并聯(lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)

多片并聯(lián)層疊結(jié)構(gòu)通過(guò)引線連續(xù)折繞于電極極耳實(shí)現(xiàn)，電極疊堆采用單條隔膜在正負(fù)電極間往復(fù)平行折疊，正負(fù)電極片形狀相同，如圖2所示。電堆正極集流引線由三部分構(gòu)成：引線1、2在水平方向上下重疊并且垂直于引線3。疊堆時(shí)，引線2在正極極耳間以“S”形連續(xù)折繞層壓極耳，成為電極導(dǎo)聯(lián)線，最后使引線2水平伸出，引線1和3拉緊包裹極耳柱且末端與引線2重疊，在貼緊極耳處將三條引線用點(diǎn)焊機(jī)焊接為一體，形成可靠的電流集流引出。電堆負(fù)極集流引線構(gòu)成與正極端相同并呈鏡面對(duì)稱，區(qū)別在于引線2以“Σ”形連續(xù)折繞層壓極耳，以消除電極厚度差造成的負(fù)極極耳向下移位。隔膜折疊方式與正極端引線2折繞相同，每折疊一次放一個(gè)電極，正負(fù)電極交替且電極極耳居于電堆兩側(cè)，疊堆完成后用隔膜自體纏繞電堆主體，實(shí)現(xiàn)單體電堆的可靠絕緣，形成多片電極一體焊接、電堆兩極極耳各自成柱平行相對(duì)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)電堆。

圖2 電極片和正極集流引線組成及折繞示意Fig.2 The electrode slice and the anode current collection lead composition and periphrasis sketch

2.2 多片并聯(lián)層疊電堆的作用原理

相較于傳統(tǒng)層疊電堆，多片并聯(lián)層疊電堆的疊堆方式提高了電池單位體積內(nèi)層疊電極的面積，增加了電池單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)的含量，使電池容量得以提高。同時(shí)，此層疊方式使每一個(gè)電極(正、負(fù)電極)的兩個(gè)表面分別通過(guò)隔膜與另一個(gè)電極形成對(duì)電極，增加了電極對(duì)的面積，提高了電極的有效反應(yīng)面積和電池的輸出電流、電池功率。此外，多片并聯(lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)在保留卷堆結(jié)構(gòu)中電極面積利用率高的特點(diǎn)的同時(shí)，可以加壓形成緊裝配電堆，有利于提高電池電壓，疊堆操作易于控制，電堆緊實(shí)，有效降低了電堆存在的短路風(fēng)險(xiǎn)?？傊嗥⒙?lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)有效地解決了傳統(tǒng)儲(chǔ)備電池層疊電堆存在的電極活性物質(zhì)利用率低和單位電極面積裝入量少的問(wèn)題，提高了電池的輸出功率和容量水平。

多片并聯(lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池，通過(guò)電極導(dǎo)聯(lián)線連續(xù)折繞于電極極耳間形成電堆的多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了電池單位體積內(nèi)的有效電極面積；通過(guò)隔膜在正負(fù)電極間往復(fù)平行折疊形成電堆，同時(shí)隔膜自體纏繞電堆主體，實(shí)現(xiàn)電堆的可靠絕緣，進(jìn)而有效提升電池的輸出功率和容量水平。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 多片并聯(lián)層疊電堆的儲(chǔ)備電池放電測(cè)試

多片并聯(lián)層疊電堆的儲(chǔ)備電池樣機(jī)性能測(cè)試均在常溫下進(jìn)行，電池通過(guò)馬歇特23齒錘擊激活，用8861數(shù)據(jù)采集儀并聯(lián)于負(fù)載電阻兩端接入測(cè)試線路，記錄電池的工作電壓和激活時(shí)間。

鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池由兩個(gè)電堆在電池殼內(nèi)串聯(lián)構(gòu)成。測(cè)試電池電性能之前，測(cè)得電堆放電開(kāi)路電壓為3.46 V且穩(wěn)定不變化，說(shuō)明電堆絕緣良好，不存在微短路等問(wèn)題。圖3所示為電池分別負(fù)載8、5、2 Ω電阻的放電曲線。觀察圖3中放電曲線可知，電池具有一定的放電電壓平臺(tái)。在8 Ω負(fù)載下，電池超過(guò)600 mA/5 V(3 W)放電持續(xù)時(shí)間為121 s，3 V以上放電時(shí)間接近60 min；5 Ω放電時(shí)，電池電壓3 V以上即放電電流大于600 mA的放電持續(xù)時(shí)間為2 000 s；2 Ω放電時(shí)，電池超過(guò)1.5 A/3 V放電時(shí)間大于200 s?？梢?jiàn)，多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池具有較高的容量水平和低電壓大功率輸出的容量特性。電池較高電壓放電持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于總體容量下的放電持續(xù)時(shí)間，從側(cè)面說(shuō)明電池的容量水平仍有較大的提升空間。此外，從放電曲線可以看出電池激活較快，沒(méi)有電壓滯后現(xiàn)象。

圖3 電池放電曲線Fig.3 The battery discharge curves

3.2 多片并聯(lián)層疊電堆的儲(chǔ)備電池激活測(cè)試

多片并聯(lián)層疊電堆的儲(chǔ)備電池樣機(jī)通過(guò)馬歇特23齒錘擊激活，電池激活時(shí)間取工作電壓升至3.0 V所用時(shí)間。圖4所示為電池激活曲線，從圖4中可以看出，儲(chǔ)備電池樣機(jī)的馬歇特23齒錘擊激活時(shí)間為39 ms，大大縮短了鋰儲(chǔ)備電池的激活時(shí)間。激活過(guò)程中電池電壓存在時(shí)間寬度約10 ms的波動(dòng)，隨后迅速上升，電池正常激活并呈現(xiàn)平穩(wěn)的工作電壓平臺(tái)；電壓波動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)小于引信要求的電池激活時(shí)間，電池激活進(jìn)入工作狀態(tài)后對(duì)引信供電，不會(huì)影響引信的正常工作。儲(chǔ)備電池在激活過(guò)程中存在的電壓波動(dòng)，原因可能是錘擊沖擊造成的電解液與電堆的暫時(shí)分離。為了降低電池的激活時(shí)間，可以進(jìn)一步優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，以減弱電池激活過(guò)程中存在的電壓波動(dòng)，提高電池激活性能。

圖4 電池激活曲線Fig.4 The battery activation curve

3.3 電池受沖擊下的放電和噪聲測(cè)試

引信電源作為引信的一個(gè)重要零部件，必然會(huì)在工作狀態(tài)下隨引信受到各種過(guò)載沖擊，測(cè)試電池受過(guò)載沖擊下的放電和電壓噪聲就顯得尤為必要。圖5所示為多片并聯(lián)層疊電堆的儲(chǔ)備電池樣機(jī)在工作狀態(tài)下受馬歇特錘擊沖擊的放電曲線，圖6為相對(duì)應(yīng)的電壓噪聲曲線。試驗(yàn)電池由馬歇特23齒錘擊激活并負(fù)載100 Ω電阻放電，間隔一定時(shí)間后再次受馬歇特23齒錘擊。觀察兩圖中曲線可知，電池激活后電壓快速上升并維持穩(wěn)定的工作電壓平臺(tái)，激活瞬間電池電壓噪聲為0.1 V，之后迅速降為0；第二次過(guò)載沖擊下，電池電壓有小幅下降但依然呈現(xiàn)穩(wěn)定的電壓平臺(tái)，隨后逐漸上升，電壓噪聲曲線仍然只在過(guò)載沖擊瞬間顯示0.1 V的極窄峰?？梢?jiàn)，多片并聯(lián)層疊電堆的儲(chǔ)備電池電壓噪聲對(duì)馬歇特錘擊產(chǎn)生的過(guò)載沖擊具有良好的一致性，可以承受馬歇特錘擊微秒級(jí)時(shí)間寬度內(nèi)的峰值過(guò)載沖擊。

圖5 電池受沖擊放電曲線Fig.5 The discharge curve of battery shocked by Machete hammering

圖6 電池受沖擊噪聲曲線Fig.6 The noise curve of battery striked by Machete hammering

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池對(duì)電堆內(nèi)電極對(duì)數(shù)量的控制更為靈活，有利于電池輸出功率和容量水平的提高。儲(chǔ)備電池樣機(jī)以1.5 A/3 V的大電流放電時(shí)間超過(guò)200 s，較鋰/亞硫酰氯儲(chǔ)備電池有更大的放電電流；電池樣機(jī)以600 mA/5 V(3 W)的輸出功率可以連續(xù)工作121 s，具有較高的容量水平和低電壓大功率輸出的容量特性；同時(shí)，電池激活快且沒(méi)有電壓滯后現(xiàn)象，在工作狀態(tài)下可以承受馬歇特23齒錘擊的過(guò)載沖擊，工作電壓平穩(wěn)，適用于引信對(duì)電池大電流輸出和大容量的使用要求。

4 結(jié)論

本文提出的多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池，通過(guò)引線連續(xù)層壓折繞于電極極耳間實(shí)現(xiàn)多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用單條隔膜在正負(fù)電極片間往復(fù)平行折疊完成疊堆，實(shí)現(xiàn)電堆的可靠集流與絕緣。試驗(yàn)結(jié)果表明：多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲(chǔ)備電池超過(guò)600 mA/5 V(3W)連續(xù)放電的工作時(shí)間可以達(dá)到121 s，具有較高的容量水平和低電壓大功率輸出的容量特性；電池馬歇特23齒錘擊工作電壓上升至3 V的激活時(shí)間為39 ms，大大縮短了鋰儲(chǔ)備電池的激活時(shí)間；在工作狀態(tài)下可以承受馬歇特錘擊的過(guò)載沖擊，電壓噪聲低，適用引信對(duì)電池大電流輸出和大容量的使用要求。實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)在連續(xù)錘擊過(guò)程中，電池存在電壓下降的現(xiàn)象，可以在保證電極導(dǎo)聯(lián)線與電極極耳等可靠連接和電池結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面做進(jìn)一步的深入研究。