一种耐高速旋转的储备式锂电池电堆结构

徐春波，余 帆，隋 鑫

一种耐高速旋转的储备式锂电池电堆结构

徐春波1，余 帆2，隋 鑫1

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 武汉长海电力推进和化学电源有限公司，武汉 430064）

针对锂亚硫酰氯储备电池在高旋转环境下，电解液集中分配于电堆边缘，电堆边缘短路严重，出现隔膜烧蚀、工作电压持续下降问题，本文设计了一种耐高速旋转的储备式锂亚硫酰氯电池电堆结构，并进行了旋转激活带载试验。结果表明：电池在14000 rpm的转速下，电池放电电压平稳，隔膜未出现烧蚀现象。

储备式锂电池 高速旋转 电堆结构

0 引言

近年来，随着武器装备的快速发展，常规武器如榴弹炮、迫击炮等战术武器智能化程度越来越高，智能炮弹也得到广泛关注。炮弹在发射时及飞行过程中，伴随着高过载及高速旋转，在弹体内部会产生弹塑性应力波的传播，从而会引起弹体内每一处节点的位移、速度、应力及加速度的突变[1-4]。因此，在弹丸内部为引信供电的电源也要承受相应的挤压、位移、冲击、离心力等恶劣的工况环境，造成电源结构的损坏，特别是电堆结构的变化，产生断电，电噪声、电压下降、内部短路等问题，电池失效无法对外供电[1]。引信用贮备式锂/亚硫酰氯一次电池因其连续工作时间长，倍率性能好，适合大电流放电，在多种非旋转弹及旋转弹上得到了广泛应用。在国外，早在二十世八九十年代，美国已经开展了用于引信的贮备式锂/亚硫酰氯电池，并成功装备与多型炮弹上，提升了炮弹智能化程度[1-3]。经过几十年的完善和发展，逐步解决了电池激活可靠性、耐受高过载及高旋转、及贮存寿命问题。我国在引信用贮备式电池方面，起步较晚，目前只有较少的科研院所开展相关研究工作[1]。

本文针对贮备式锂/亚硫酰氯电池在用于旋转弹引信时，所遇到的电池漏电、内部短路及电压下降等问题，提出一种耐受高速旋转的电池电堆结构。

1 高速旋转锂对电池电性能的影响

贮备式锂/亚硫酰氯电池用于旋转弹上，在发射及飞行阶段，都将承受较大的旋转离心力。如图1所示，在离心力作用下，电解液向电堆边缘位置移动，大量电解液聚集在边缘部位，双极性结构电堆中各单元负极与相邻单元正极通过边缘过量电解液发生剧烈反应，导致漏电严重，输出电压下降，甚至造成内部短路，隔膜烧黑，电池失效无法对外供电。

图1 贮备式锂亚硫酰氯电池电堆结构示意图

2 试验

2.1 电堆改进

针对高速旋转工况下电解液聚集在边缘导致电池漏电严重问题，提出了一种能够耐受高速旋转的电堆结构，如图2所示。该结构在双极性电堆的每个单元外部增加聚四氟乙烯材质的绝缘环，将各单元正负极隔离开，用以解决相邻单元的漏电问题。

图2 边缘包覆绝缘环的电堆结构示意图

2.2 高速旋转激活试验

将改进前后的干态锂/亚硫酰氯电池电堆装配好，并连接上用以记录数据的数据采集板，旋转拧紧于高速电机旋转轴上；电解液分装于激活管内并用薄膜片密封，试验装置如图3所示。用高压气将电解液推入电池电堆中，同时开启高速电机，在规定时间内将电机转速调节至指定值。测试电堆旋转激活放电性能。

3 结果分析与讨论

按照2.2所述试验方法，负载为33Ω，电堆与电解液分开固定装配于电机旋转轴上，将电机转速设定为14000 rpm，待电机转速稳定后，开启高压气，将电解液注入电堆中。分别测试改进前后电堆的旋转激活带载性能，结果如图4、图5所示。

图3 高速旋转试验装置示意图

图4 改进前电堆的旋转激活带载性能

图5 改进前电堆的旋转激活带载性能

由图4可以看出，改进前电堆在电解液注入后，正常激活，电堆带载电压在120 ms左右迅速爬升至9.0 V以上，满足激活时间要求；带载电压到达峰值14.5 V以后，逐渐下降，随后一直降低至要求电压值以下。

图5为在电堆边缘增加聚四氟乙烯材质的绝缘环后，电堆激活旋转激活带载曲线。可以看出，电解液注入后，电池激活正常，且最高电压达到16 V，并且放电平台稳定在15.5 V左右，电压未出现下降情况。

对比图4、图5，可知，未在电堆边缘做绝缘措施时，电堆激活后对外供电不稳，电压持续下降；在电堆边缘增加绝缘环并将边缘密封后，电堆激活正常，在相同的负载下，电堆对外输出电压有所上升，且工作电压平台稳定，未出现电压下降、掉电等情况。在相同的负载下，改进后电堆对外输出电压比改进前电堆高出1.5 V。分析原因，主要在于改进前后电堆的漏电情况不同。由于电解液过量，电堆激活后，在高速旋转环境下，过量电解液向电堆边缘移动，电堆边缘聚集大量流动的电解液，导致严重的漏电，甚至出现微短路，因此，带载电压快速下降。在电堆边缘增设耐腐蚀的绝缘环，并作密封处理后，虽然在高速旋转力下，过量电解液仍然有向电堆边缘运动的趋势，但由于边缘位置增设绝缘环并作密封处理，边缘流动电解液减少，过量电解液在电堆之间分配相对均匀，有效减少了漏电电流带来的危害，表现为带载电压升高，工作电压平稳。

4 结论

本文提出的一种耐高速旋转的储备式锂电池电堆结构，该结构在电堆边缘位置增加耐蚀材料制成的绝缘环，有效解决了电堆边缘流动电解液聚集，电堆漏电严重的问题。高速旋转激活试验表明，改进后电堆输出电压更高，电压平台更稳定。随着炮弹智能化程度越来越高，对引信电池的需求越来越大，为了适应引信工作环境，为引信供电的储备电池，其结构必然需要耐受高旋转及高过载的恶劣环境，且仅仅保证电池结构不受损，仍然不能满足引信对液态储备电池放电平稳的基本要求，因此需要在电池电堆结构稳定性及电解液分配的均匀性等方面做进一步研究工作，使锂储备电池在武器装备上得到更广泛的应用。

[1]沈航, 杜永龙, 李向阳. 储备式叠层锂电池集流片的包覆结构[J]. 探测与控制学报, 2014, 36(5): 91-93.

[2]肖顺华. 提高锂亚硫酰氯电池可靠性的方法研究[J]. 化工进展, 2004, 23(9): 1001-1003.

[3]李要民, 沈航, 马素杰, 王莹澈. 销钉固定电堆的储备式锂电池[J]. 探测与控制学报, 2015, 37(1): 41-44.

[4]Paul F Schisselbauer. Multi-Option Fuze for Artillery(MOFA)Post-launch Battery, 48th Annual NDIA Fuze Conference, 2004: 68-75.

[5]Paul F Schisselbauer. MOFA Post-launch Battery In-reased Performance Reliability Through ElectrolyteChanges, 49th Annual NDIA Fuze Conference, 2005: 73-77.

[6]Jung Hans. Introduction of The Multi Option Fuze Artillery (MOFA) DM84 on 120mm Rified Mortar, 50thAnnual NDIA Fuze Conference., 2006: 152-160.

[7]杨裕生, 曹高萍. 军用化学电源研究发展中心的任务与科研方向[J]. 防化研究, 2003, (1): 13-16.

A Kind of Lithium Reserve Battery Stack Surviving High Spin Rotation

Xu Chunbo1, Yu Fan2, Sui Xin1

（1. Wuhan Institute of Electrical Marine Propulsion, Wuhan 430064; 2. Wuhan Changhai Electric Propulsion and Chemical Power Source Co. Ltd, Wuhan 430064）

TM912

A

1003-4862（2019）09-0040-03

2018-02-18

徐春波（1989-)，工程师。研究方向：引信电池研究工作。E-mail: 765117753@qq.com