鋰儲備電池十年進展

馬素杰,張亞萍,劉小龍

(1.西安機電信息技術(shù)研究所,陜西 西安 710065;2.空裝駐西安地區(qū)第七軍事代表室,陜西 西安 710000)

0 引言

引信電源是引信的核心功能模塊,為引信的探測、控制及發(fā)火組件提供電能。引信電源按作用原理不同,可分為物理電源、化學(xué)電源和復(fù)合電源三大類?；瘜W(xué)電源多為儲備電池。在眾多的引信電源中,鋰儲備電池因比能量高、激活快、噪聲低和工作溫度范圍寬等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用。

新型探測技術(shù)在引信中的應(yīng)用,使引信的功能日益強大,相應(yīng)地對電源提出了更高要求。如要求電源功率密度或能量密度越來越高,激活時間越來越小等。在迫切的需求牽引下,儲備電池技術(shù)得以飛速發(fā)展,鋰儲備電池逐步取代功率密度較小的鉛酸儲備電池,與熱電池一起成為引信電源的主流品種。從電極材料研究開始,到低電壓小電流的單元儲備電池成型,再到成為引信電源的主流品種,歷時近三十年。鋰儲備電池較好地滿足了現(xiàn)代引信的需求,但是面對未來引信的更高要求,還有大量的工作要做。為此,本文總結(jié)了近十年鋰儲備電池的研究進展情況,給出了未來發(fā)展的幾點建議,期望對今后的研究工作有所幫助。

1 國外鋰儲備電池發(fā)展概況

國外于20世紀70年代開展儲備式鋰電池研究,80年代末形成產(chǎn)品,目前已全面替代鉛酸儲備電池,廣泛應(yīng)用于歐美引信中。早期,國外鋰儲備電池主要有兩個系列:一是用于自毀引信及子彈藥引信的微小型電池[1-4];二是用于中大口徑榴彈的中大型電池[5-8],其中最典型的是美國艾里安特技術(shù)系統(tǒng)公司(ATK)的MOFA電池。電池內(nèi)部通過不同的串并聯(lián)組合,可以實現(xiàn)多種電流和電壓輸出。如用于火炮多選擇引信的電池,外形尺寸Φ38.1 mm×16.8 mm,工作電流325 mA,工作電壓5.6～12 V,激活過載3 000g,最大功率密度203.7 mW/cm3。電池外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1。

隨后,歐洲的鋰儲備電池因為功率密度更高進入市場[9-10]。首先是法國泰勒斯公司(THALES)的UA62系列電池,隨后是德國迪爾和伊格爾皮徹公司(DEP)的DEP系列產(chǎn)品。UA系列電池和DEP系列電池外形相似,外徑比MOFA電池更小,外形為圓臺體,在引信中的位置適應(yīng)性更強。兩種電池外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 歐洲鋰儲備電池

2012年后,為了提高電池的可靠性,法國泰勒斯公司將電池研究重點轉(zhuǎn)移到單元電池升壓方向,DEP系列電池逐步取代UA系列電池,廣泛應(yīng)用于歐美各國[12-22]。DEP公司開展了電池模塊化研究,殼體、激活機構(gòu)、儲液瓶、電極等主要零部件都形成了模塊化、系列化產(chǎn)品,根據(jù)需要進行有機組合即滿足不同引信需求。DEP電池按體積大小分為5個系列:大、大、中、小、超小型,主要產(chǎn)品如表1所示[22]。

表1 DEP系列鋰儲備電池參數(shù)

美國含能先進系統(tǒng)公司(EAS)也研制生產(chǎn)鋰儲備電池,體積從最小的Φ5.6 mm×5.5 mm到最大的Φ38.1 mm×17 mm,分別用于自毀引信、30～155 mm口徑的坦克炮、榴彈炮等多種引信中[23-24]。用于155 mm及105 mm火炮引信的G3158B3電池如圖3所示。

圖3 G3158B3電池

EAS公司研制了低粘度、高電導(dǎo)率的電解液,使電池具有很好的低溫激活性能和放電性能;電極堆結(jié)構(gòu)根據(jù)需求的不同,分別采用外部串并聯(lián)、內(nèi)部串聯(lián)、并聯(lián)或內(nèi)部串并聯(lián)組合等形式,分別滿足長時間工作、中等功率以及大功率輸出需求;公司優(yōu)化了碳電極配方,當(dāng)碳電極比表面積62 m2/g、孔隙率77%、密度0.44 g/mL、孔體積1.93 mL/g、平均孔徑 0.125 μm時,碳電極性能最佳[24]。

2020年之后,國外鮮有關(guān)于鋰儲備電池的報道,DEP系列電池的技術(shù)參數(shù)在2018年后未見更新。

2 我國鋰儲備電池十年進展

2.1 我國鋰儲備電池發(fā)展概況

國內(nèi)對鋰儲備電池的研究相對滯后,早期的研究工作以電極研究為主,電池結(jié)構(gòu)主要靠外部激活。2000年之后,酞菁系列金屬催化劑的應(yīng)用和鋰原電池技術(shù)的發(fā)展,極大地提升了電池的能量[25-36],對長時間工作的儲備電池提供了有力的技術(shù)支撐;對鋰儲備電池的激活過程進行了初步仿真,認為影響電池激活速度的主要因素是電解液的傳質(zhì)過程[37];對鋰儲備電池在高過載下的特性進行了研究,合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)電池在高過載沖擊下正常工作[38];儲備電池技術(shù)得到了初步應(yīng)用,以低電壓、小電流、長時間工作為代表的儲備電池成功裝備,但高電壓、中等電流工作的鋰儲備電池還處于試驗階段,應(yīng)用于無線電引信的鋰儲備電池還只是原理樣機[39],對鋰儲備電池安全性及長貯性的置疑還大量存在,在推廣應(yīng)用方面困難重重。

2011年以來,是我國鋰儲備電池大力發(fā)展的階段。電極材料水平進一步提升,電池設(shè)計和工藝水平持續(xù)提高。隨著石墨烯類產(chǎn)品的應(yīng)用[40-46],電解質(zhì)種類的增加和電解液配方的優(yōu)化[47],儲備電池放電功率穩(wěn)步提升;自帶激活機構(gòu)的多單元儲備電池得到應(yīng)用,電池激活方式多種多樣,激活時間不斷縮短[48-50]。鋰儲備電池也從單一產(chǎn)品發(fā)展到多個,電池能量密度和功率密度持續(xù)提升,逐步替代功率密度較小的鉛酸儲備電池,成為引信電源的主流品種。

2.2 鋰儲備電池技術(shù)十年進展

以引信需求為牽引,鋰儲備電池技術(shù)取得了較大進展。除鋰/亞硫酰氯體系外,開展了鋰/硫酰氯體系[51]及鋰/二氧化錳體系儲備電池[52]的預(yù)先研究,解決了關(guān)鍵工藝問題,電池低溫性能有待提升;鋰/亞硫酰氯儲備電池充分發(fā)展,形成了系列產(chǎn)品。國內(nèi)部分鋰儲備電池如圖4所示。

圖4 部分鋰儲備電池

部分鋰儲備電池性能參數(shù)如表2所示。

表2 能量密度功率密度

近十年來,除了低電壓、小電流、長時間工作的電池(產(chǎn)品1、2)外,鋰儲備電池在高電壓、大電流工作方面取得了較大突破。從產(chǎn)品3之后,電池體積逐步縮小,放電功率逐步增大。近十年來鋰儲備電池技術(shù)進展體現(xiàn)在以下方面。

2.2.1能量密度提升

表2中,產(chǎn)品1和產(chǎn)品2工作方式類似,均為低電壓、小電流、長時間工作。這類電池的關(guān)鍵指標(biāo)是超長的工作時間,即需要強大的能量輸出能力。對比可知,產(chǎn)品2的能量密度為產(chǎn)品1的4倍左右。兩種電池能量密度對比如圖5所示。

根據(jù)最初的計劃，肯首座核電廠將于2027年啟動建設(shè)。但目前這一時間已被推遲到至少2036年。此外，核電規(guī)模也有所調(diào)整，從最初的兩臺1000兆瓦機組縮減至兩臺600兆瓦機組。雖然單臺機組的裝機容量大幅縮減，但單臺機組的預(yù)期造價卻大幅上升，從最初的4050億肯尼亞先令增加至4840億肯尼亞先令?？蠜]有解釋造價大幅上升的原因。

圖5 能量密度對比

2.2.2功率密度提升

表2中,產(chǎn)品3、4、5均為多單元電池,工作電流都大于120 mA,均屬于較大功率輸出的產(chǎn)品。三種電池功率密度對比如圖6所示。

圖6 功率密度對比

對比可知,產(chǎn)品5的功率密度水平是產(chǎn)品3的2.6倍,是產(chǎn)品4的1.3倍多?？梢婁噧潆姵氐墓β拭芏鹊玫酱蠓嵘?十年來增長了164%。

2.2.3電池激活

除了功率密度和能量密度外,儲備電池的一項重要指標(biāo)是電池激活,即解決平時無電能輸出,在特定的環(huán)境下適時供電問題。

2.2.3.1激活方式

十年前,定型的鋰儲備電池只有一種,為單元電池,激活后小電流長時間連續(xù)工作;近十年,隨著鋰儲備電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用平臺的不斷拓展,鋰儲備電池已實現(xiàn)了外部激活、發(fā)射過載激活、撞目標(biāo)激活和電激活等多種激活方式,通過激活機構(gòu)的不斷優(yōu)化,在保證勤務(wù)處理安全的前提下,激活過載不斷降低。

電池的激活時間是指從環(huán)境力(外部撞針、發(fā)射過載、撞目標(biāo)過載或電能等)施加開始到電池電壓上升到指定值的時間,通常為幾毫秒到幾百毫秒。儲備電池激活時間越短越好。電池的激活時間與以下幾個因素有關(guān):① 電極材料。研究表明影響電池激活速度的決定因素是電解液進入電極堆的速度,因此,電池的激活時間與電極材料的性能關(guān)系很大,如電解液需要具有較小的粘度及較高的電導(dǎo)率,碳電極要有適中的孔徑及適當(dāng)?shù)谋砻娣e等;② 電池結(jié)構(gòu)。電池結(jié)構(gòu)對電池的激活有重要影響,電流密度相同時,通常單元電池激活更快,多單元電池中有調(diào)壓通道的比沒有的激活快,極片與儲液瓶的相對位置對電池的激活速度也有影響;③ 使用環(huán)境。電池的激活時間還與使用環(huán)境有關(guān),尤其是多單元電池,用于旋轉(zhuǎn)彈時激活時間顯著小于非旋轉(zhuǎn)彈;④ 負載條件。電池的激活時間與負載關(guān)系很大,負載越大則電池電壓上升時間越長,激活速度越慢,反之負載越小則激活越快。因此,要想電池快速激活,引信電路在設(shè)計時應(yīng)充分考慮電池的激活特性,選擇合適的用電模式。理想的負載條件是先空載或小電流工作一段時間,待電解液充分進入電極堆后再加大負載,以保證電池穩(wěn)定的電能輸出。

經(jīng)過近十年的不懈努力,鋰儲備電池的激活時間已得到大幅改善,尤其是較大功率輸出時,低溫激活時間由2 s左右縮短到幾百毫秒。

3 與國外鋰儲備電池技術(shù)差距

近十年來,我國鋰儲備電池技術(shù)取得了很大的進展。但是,不論是電池性能還是工藝水平、研發(fā)效率等,與國外先進水平都存在明顯差距。具體表現(xiàn)在以下方面。

3.1 電池功率密度偏低

以大型電池為例,國內(nèi)、德國、美國的3個典型產(chǎn)品功率密度對比見表3。

表3 典型產(chǎn)品的功率密度[17,22]

電極功率密度是指單位面積電極所能輸出的功率水平,這個指標(biāo)主要與電極性能相關(guān),與電池結(jié)構(gòu)關(guān)系不大。從表3可以看出,產(chǎn)品5電極功率密度為209.2 mW/cm2,DEP14017為148.6 mW/cm2,產(chǎn)品5性能是DEP14017的近1.4倍。

電池功率密度是電池總功率與電池總體積的比值,與電池結(jié)構(gòu)關(guān)系很大。對比產(chǎn)品5和G3153B1,功率密度分別為236.4和216.5 mW/cm3,兩者水平相當(dāng);但是產(chǎn)品5與DEP14017相比,功率密度卻只有DEP14017的68.2%。考慮到DEP14017外形為圓臺體,體積比圓柱體小很多。若把產(chǎn)品5的外形由圓柱體改為圓臺,其功率密度可達325.2 mW/cm3,相當(dāng)于DEP14017的93.7%。

由以上對比可知,我國鋰儲備電池的電極水平與國外相當(dāng),主要差距在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方面。電池內(nèi)部空間的有效利用率不高,需在今后的工作中優(yōu)化和完善。

3.2 電池工藝水平偏低

在電極材料的制備及電池裝配方面,國內(nèi)仍以人工操作為主,輔以少量必要設(shè)備,還沒有形成生產(chǎn)規(guī)模。個別零件為手工制造,質(zhì)量一致性差,生產(chǎn)效率低,產(chǎn)品成本高,批產(chǎn)能力差。而歐美的幾個大公司如ATK、DEP、EAS等早已實現(xiàn)自動化量產(chǎn),年產(chǎn)數(shù)十萬只甚至上百萬只,產(chǎn)品成本低,性能一致性好。

3.3 電池研發(fā)效率低

我國鋰儲備電池近十年才在引信中得到推廣應(yīng)用。電池的研制以需求為牽引,以滿足特定需求為目標(biāo),零部件和結(jié)構(gòu)設(shè)計缺少通用性。而DEP公司早已完成電池系列化、模塊化研究,將電池按體積大小分為5個系列,每個系列對應(yīng)的零部件全部實現(xiàn)了模塊化加工并經(jīng)過試驗驗證,電池研制過程只需要根據(jù)需求稍加組合即可完成,研發(fā)效率高,產(chǎn)品可靠性高。

經(jīng)過近三十年的發(fā)展,我國鋰儲備電池的整體水平仍然只相當(dāng)于國外的90%左右。除了原材料及工藝水平差距外,從業(yè)人員設(shè)計能力和創(chuàng)新能力不足也影響著鋰儲備電池整體水平的提升。電池沒有通用性,研制周期長,研發(fā)成本高,可靠性數(shù)據(jù)積累不易。

4 發(fā)展建議與展望

為了滿足更多、更高標(biāo)準新型引信需求,進一步提升鋰儲備電池技術(shù)水平,今后應(yīng)重點開展以下研究工作:

1) 提升功率密度,縮短激活時間

隨著探測技術(shù)的發(fā)展和引信探測精度的提高,引信對電源功率密度和激活時間的要求越來越高,有的甚至要求膛內(nèi)供電。這些都是儲備電池面臨的重要挑戰(zhàn)。因此,現(xiàn)階段鋰儲備電池的主要任務(wù)是提高電池的功率密度,縮短激活時間,而工作重點在于低溫性能的改善。要改善低溫性能、提高電池功率,就要提高電解液的離子導(dǎo)電性,降低電池內(nèi)阻;要縮短激活時間,就需要降低電解液粘度,改善多孔電極形貌,暢通傳質(zhì)通道;提升功率的同時,需優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,提升電池內(nèi)部空間的有效利用率,減小電池體積。

2) 開展系列化、模塊化研究

隨著鋰儲備電池產(chǎn)品的增加和電池設(shè)計數(shù)據(jù)的積累,對各種類型的電池性能有了相當(dāng)?shù)牧私?。在充分的?shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上,開展系列化、模塊化研究正當(dāng)時。按體積大小將鋰儲備電池分成幾個系列;針對不同系列電池,開展零部件模塊化研究,將電極堆、儲液瓶及激活機構(gòu)等都作為“標(biāo)準件”研究,需要時選取合適的零部件組裝電池即可。這樣將大大提高電池的研發(fā)效率,電池的可靠性也會大幅提高,相應(yīng)的引信研發(fā)效率也會提高。

相信在下一個十年,隨著鋰儲備電池技術(shù)發(fā)展和自動化水平的提升,國內(nèi)鋰儲備電池生產(chǎn)將形成規(guī)模,電池成本逐步降低,產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性持續(xù)提高,鋰儲備電池必將更好地滿足新型引信的使用要求,為新型引信提供強有力的技術(shù)支撐。