国外鱼雷电池应用进展

2012-07-05石治国

电源技术 2012年11期

石治国

(海军驻天津地区兵器设备军代表室，天津 300384)

水中兵器电源最主要的两大领域为鱼雷电源和潜艇电源。这些电源早期大都为铅酸蓄电池。随着科学技术的发展。鱼雷、潜艇对航速、航程、潜深性能的要求的提高，迫切要求具有高比能量、高比功率的电池作为它们的电源。本文主要针对国外鱼雷电池的应用进展情况进行介绍。

1 发展历程

鱼雷自1868年由英国人怀特黑德首次制成，二战以前都是热动力的，直至1938年德国生产出使用铅酸电池做动力的鱼雷，也是世界上第一支电动力鱼雷。在电动力鱼雷中，电池作为推进电机电源。要在几分钟到十几分钟直至三十分钟内释放出数十至数百千瓦的能量。因此对电池组提出了较苛刻的要求。

主要条件如下：

(1)由于推进系统要占一枚鱼雷质量和体积的50%以上，因此电池组必须有高的比能量。其理论值至少在400 Wh/kg以上；

(2)电池组必须有高的比功率，能够在大电流放电时保持电压输出不变。电压不变，鱼雷速度也不变。

(3)电池组在不维护的条件下能长期(至少5年)处于战备状态，一旦激活即能满负荷使用。

(4)在启动鱼雷时，能在十几秒钟内输出数倍于稳态电流的瞬间电流。另外要能经受大的瞬时动力负载。

(5)电池组除供给推进电机电源外，还要供给辅助系统电源。

(6)电池组没有爆炸性气体放出。

(7)电池组在放电期间所放出的热，必须由电池组本身发散。

(8)电池组对鱼雷发射操作人员及舰艇上其他人员不发生生命危险。

经过世界各国长期实践和检验，目前应用广泛的为锌银电池、镁/氧化银海水电池，先进的铝/氧化银电池和锂亚硫酰氯电池等。

2 锌银电池

由于锌银电池具有比能量高，比功率大，可大电流放电，放电电压平稳，电压精度高，安全性好等优点，被广泛应用于各种鱼雷、水雷、潜水艇、救生设备等。目前各种新型武器对锌银电池的要求日益苛刻，使用容量大，放电电流变化多且跨度范围大，而电压精度却要求很高，因此，提高电极性能就成为锌银电池研究发展工作的重点之一。

锌银电池在干贮存过程中的老化主要与贮存时间和贮存温度有关。在干贮存期间，锌银电池会出现容量下降、激活时间延迟、电压降低等性能下降的现象，因此，不仅带来了电池性能的不可预期性，而且，为了使干贮存后容量满足要求，通常将正极活性物质过量以满足要求，或需要将电池定期的更换，均带来了巨大的制造成本。而锌银电池在干贮存期间性能下降的主要原因是银电极中AgO的不稳定性。

AgO与金属银的反应，金属银主要来源于未完全反应的银粉和金属银骨架。这一反应严重影响电池的电压，因为Ag2O的内阻比AgO大的多。而且，和金属银骨架的反应尤其有害，因为电极的导电骨架不仅起着支撑活性物质的作用，同时还起着导电及均匀分配电流的作用，在活性物质和骨架界面形成的一薄层Ag2O，造成了电压的下降。虽然随着放电过程的进行，这层Ag2O会逐渐转换成银，电压也会逐渐趋向正常，但是暂时的下降对一些应用场合也是不允许的。AgO分解成Ag2O和氧气，这个反应不但影响电池的容量，而且影响电池的电压。

银电极释放的氧气又是导致高活性锌负极表面钝化的最主要的来源。虽然锌负极表面钝化的来源包括电池封闭空间内的O2、CO2、水蒸气及其它活性气体，而最主要的来源是正极中AgO分解产生的O2。银电极释放的氧气与锌电极的活性表面发生反应，形成一层钝化膜。当这层钝化膜积累到一定程度时，也会引起电池的激活时间延迟和电压下降，尤其是高倍率放电条件下的电压下降。

因此，银电极性能的改善对锌银电池的性能有重要的影响，尤其是锌银电池的干贮存性能。

银电极作为锌银电池的正极，一般由烧结银极板经阳极化处理(化成)生成氧化物而得到，电极的活性物质包括了Ag、Ag2O和AgO三个价态的物质。化成是通过充电使银电极从还原态(放电态)转变成氧化态(荷电态)，在化成过程中采用不同的化成制度，银电极中上述三种物质的含量、分布、性能等就各不相同，从而对银电极的性能，尤其是干贮存过程中的老化性能产生重要的影响。

由于三个价态物质的存在，一方面造成了电池电压的两坪阶特性，即高坪阶和低坪阶，电池放电的低坪阶电压非常平稳，而电池放电的高坪阶电压通常并不是有益的，因为高坪阶电压并不平稳且出现时间短，一般超出额定电压值约20%，给电池的使用带来许多不便。另一方面，AgO的不稳定性是锌银电池贮存性能下降的主要原因，AgO在电池贮存过程中会发生分解反应，并由此造成了电池的容量下降、电压降低、激活时间延迟及内部压力增大。

因此，消除银电极放电初期的高坪阶电压，同时提高AgO的稳定性，就成为银电极研究热点。而化成是通过充电使电极从放电态转变成荷电态，在化成过程中采用不同的充电制度及化成充电后采用不同的电极处理方法，银电极中上述三种物质的含量、分布、性能等就各不相同，从而对银电极的性能产生重要影响。

锌银鱼雷电池今后的发展方向是扩大双极性堆式结构的应用，进一步改进自动激活装置，继续研究AgO分解机理。制备分解速度缓慢的AgO材料，采用先进隔膜，改进电池内部结构，提高电池的干储存和湿储存寿命。

德国主要电动力鱼雷概括如表1所示。

3 铝/氧化银电池

铝在中性及酸性介质中的标准电极电位为－1.66 V(vs.SHE)，碱性介质中为－2.31 V(vs.SHE)；理论比容量为2.98 Ah/g，仅次于锂；而其体积比容量为8.05 Ah/cm3，高于其他所有金属。目前，提高铝/氧化银电池性能的主要技术途径有：(1)从铝电极本身出发，添加合金元素如In，Mn，Mg，Zn，Ga，Sn，Tl等，改善铝合金阳极性能，使得铝电极得到活化；(2)从反应介质出发，在反应介质中加入可降低铝阳极析氢速率的添加剂；(3)从电池的结构出发，使电池与外部环境间排气和换液等传质过程更为顺畅，或采用电解液循环流动的结构设计。

表2为SAFT公司120 kW 铝氧化银鱼雷电池的主要参数。凭借比能量、比功率、安全性、储存寿命等方面的优势，A l/AgO电池是目前鱼雷电池的首选。

4 锂电池

锂无疑是最理想的负极材料之一。目前，非水体系的锂电池和锂离子电池已经在水下环境中得到越来越广泛的应用，水体系锂电池的研究工作也得到了广泛的关注。

4.1 锂亚硫酰氯电池

1984年，美国就开始研制轻型鱼雷用Li/SOCl2电池，但由于热失控而发生爆炸，法国也研制过用于重型鱼雷的600 kW Li/SOCl2电池(比能量200～250 Wh/kg，工作时间12 min，电池组长2 m)，研制中遇到的主要问题也与美国相同。因此，Li/SOCl2电池目前多用于小功率或大功率脉冲放电的水下装置中。

美国水下作战中心试制的用于AUV的大型Li/SOCl2电池，由24个单体串联组成，分为三个模块，每个模块8个单体。单体电池容量1 200 Ah，电极面积1 300 cm2，以38 A的电流工作时，单体电压可以达到3.3～3.45 V。电池段直径533 mm，长1 320 mm，总功率2 800 W。电池本体比能量可以达到463 Wh/kg，电池段比能量308 Wh/kg。

4.2 锂离子电池

(1)结构电池

结构电池早期主要是想用作空间电源。近几年，有文献报道了UUV用结构电池的试制。与空间电源相比，深水下环境中，电池需要更高的抗压强度，另外，设计者还需要考虑防水密封(泄露会引起腐蚀和短路等问题)、散热(电池外层结构体较厚)和整体中性悬浮设计(密度的选择)等问题。

(2)动力电池

新型的电动鱼雷无论是轻型还是重型，其航速都要求达到50 kn。因此轻型鱼雷所需功率大于100 kW，重型鱼雷所需功率约250～300 kW。而鱼雷能给电池提供的长度有限，由于锌银二次电池与铝/氧化银电池的比能差别，若用锌银电池，不能满足高速时功率要求。这种情况下只能缩短航行时间，但航行时间太短会影响操练的效果。锂离子电池电压约是锌银电池的2.3倍，质量和体积比能量分别是锌银电池的1.5倍和1.3倍，能较好满足训练要求。另一方面，锂离子操雷电池的循环寿命为50～100次(因放电倍率高，循环次数较普通锂离子电池少)，锌银电池的循环寿命为5～10次，锂离子动力电池每瓦时价格已降至0.35$，远低于锌银电池，优势十分明显。

亚德尼公司为轻型鱼雷开发的75 kW 锂离子电池，工作电压300 V，由100只25Ah的方型电池组成，分为5个模块，每个模块20个单体。单个电池模块可以在63 V下以250 A连续放电，5个模块放电时，温升大约30℃(初始温度20℃)。电池比功率可以达到650 W/kg，使用寿命为8～10年，可充放电200次，可通过鱼雷壳体上的接口直接充放电。电子控制装置可实现充放电时的安全互锁。目前美国正在研究如何进一步提高电池高速率放电能力，减小电池组的电压降，以及提高寒冷天气条件下的启动能力。

SAFT公司制造的电池组300 kW 重型鱼雷电池比能量可以达到93.75 Wh/kg。该公司在UUV、鱼雷、SDV、SRV、小型潜艇等锂离子动力电池的开发设计上都有较强的技术储备，有能量型至功率型的多种型号的电池模块，可针对不同能量和功率的需求加以组合，如表3所示。