UUV锌银动力蓄电池的使用技术研究

黄 波，常金达，丁 浩

（1.海军潜艇学院，山东 青岛 266199；2.中国人民解放军92767部队，山东 青岛 266102）

0 引言

锌银蓄电池是20世纪40年代初发展起来的一种化学电源，由于其具有比能量高、比功率大、放电电压平稳、充电接受能力好、能够高倍率电流放电等诸多优点，被各海洋强国广泛应用于无人水下航行器（UUV）的动力系统[1]。锌银动力蓄电池的使用技术直接关系UUV的动力性能和任务能力，影响着UUV的实际使用效益和应用前景。深入研究锌银蓄电池的使用问题对提升该类电池使用水平和经济效益具有积极作用。

1 锌银蓄电池的技术使用

1.1 锌银蓄电池的结构原理

单体蓄电池为一密封的箱式构造，主要由壳体、正极板组（Ag2O）、负极板组（Zn）、隔膜、极柱和电解液（KOH）组成，其结构如图1所示[2]。

其充放电过程时的电化学反应如下：

图1 单体蓄电池结构Fig. 1 Structure of single battery

1.2 锌银蓄电池的技术准备

锌银蓄电池的技术准备是二次电池使用的重要内容，主要包括装载前的充电和搁置前的放电，确保其性能分别满足带载输出和空载贮存要求。为了精简系统规模、提高作业效率，一般将单体蓄电池串联成组、用专用设备进行同步充放电。为避免过充和过放对电池的损伤，要根据电池状态适时控制充放电的电流；此外，为防止个体品质差异导致的不良影响，要求充放电期间按相关规定测量每块单体蓄电池的主要指标，确保整组蓄电池的品质和充放电的顺利进行。目前充放电期间的监控普遍采用人工辅助完成，对操作人员的技术水平和责任心提出较高的要求。

2 电池过充、过放的机理及防范措施

2.1 电池过充、过放原理及危害

2.1.1 电池过充电原理及危害

锌银蓄电池充电时，单体电池电压超过2.05 V时继续充电，称为过充电（简称过充）。过充电时，充电电流电解水，分别析出氢气和氧气，其化学反应式如下：

负极：2H2O+2e=2OH-+H2↑

正极：4OH-=2H2O+O2↑+4e

过充的具体危害有：

1）析出的氧气会氧化纤维素隔膜，加速了隔膜的氧化裂解；

2）产生的气体会造成电池内部压力增高，引起“涨肚”，使隔膜机械损伤；

3）海绵状锌随气体析出沉淀到极板上端，易导致蓄电池上部内部短路；

4）气体的析出又冲刷正极，使正极板上的氧化银颗粒脱落；

5）过充导致电极表面上的氧化锌基本上全部被还原，锌极表面附近电解液中锌酸盐离子就要在电极上放电析出金属锌。电极微孔中电解液内的锌酸盐离子被消耗，如再继续沉积锌，只能通过电解外部电解液中的锌酸盐离子来实现。由于浓差极化较大，结晶在电极表面的凸出部分优先生长，形成树枝状结晶。它一直生长到隔膜之间的间隙，甚至在隔膜的微孔里生长，以致穿透隔膜，造成电池短路[3]。

2.1.2 电池过放电原理及危害

锌银蓄电池放电时，单体电池电压放至 1.3～1.0 V时继续放电，称为过放电（简称过放）。当单体电压降至1.0 V左右时，正极过氧化银和氧化银基本上都转变成金属银，如果继续放电，就会促使正负极进行析气反应[4]，其化学反应式如下：

正极：2H2O+2e=2OH-+H2↑

负极：4OH-=2H2O+O2↑+4e

过放的具体危害有：

1）析出氢气和氧气，会促使隔膜的氧化裂解和极板活性物质的脱落，降低蓄电池的使用寿命；

2）严重时会使电解液中的锌酸盐离子在正极上还原出金属锌，其化学反应式为

析出的锌会堵塞银电极的微孔，使其显示出锌电极的电势，电压呈现负值，称为“反极”[5]，这时电池将无法工作。

显而易见，过充和过放对于锌银蓄电池的危害极大。

2.2 防范电池过充、过放的措施

2.2.1 理解并熟练应用锌银蓄电池电势坪阶

1）锌银蓄电池电势坪阶概念[6]。

在电池充电过程中，金属银氧化为一价氧化银，随着一价氧化银的增多，电极表面被其覆盖，可参与氧化反应的银越来越少，电流密度将逐渐增大，电极电势急剧上升，发生钝化现象，在钝化之前为第一个电势坪阶。电压继续升高生成二价氧化银，此后为第二个电势坪阶。

同样，在电池放电过程中，也有2个电势坪阶。二价氧化银还原为一价氧化银，电极表面逐渐被电阻率大的一价氧化银覆盖，此过程为第一个电势坪阶。之后反应变得困难，电极电势向负的方向移动，一价氧化银开始还原为金属银，此后为第二个势坪阶[7]。

2）锌银蓄电池电势坪阶规律及应用。

在充电过程中，电池电压在1.630～1.650 V之间时比较平稳且大约持续3 h，为第一个电势坪阶；之后电池电压在 1.890～1.950 V之间时大约持续8 h，为第二个电势坪阶。

在放电过程中，电池电压在1.750～1.700 V之间时间较短，大约只持续20 min左右，为第一个电势坪阶；之后在1.540～1.510 V之间时电压比较平稳，大约持续8 h，为第二个电势坪阶。

锌银蓄电池的使用者应深刻理解电势坪阶的含义和规律，掌握2个电势坪阶的电压节点及大体时间，按照规律勤测电池电压。通过提高测判的针对性和科学性，可有效防止电池的过充和过放。

2.2.2 充分掌握并运用充放电规律

在电池的相关资料中[8]，对具体充放电的规定要求较粗，不利于实际应用。为此，应全面掌握电池实际充放电的规律，下面则是通过长期实测总结的规律。

1）充电规律。

在蓄电池组充电过程中，从第一块单体电池电压达到 2.05 V至最后一块单体电池电压达到1.97 V，即充电终止，充电时间一般在16 h左右，其中包括暂停电池智能充放电机用以跨接达到终止电压单体电池的时间。

2）放电规律。

在电池放电过程中，第一次化成放电时，多数情况是未到5.5 h已有2只以上电池提前到达1.50 V，转10 A，之后至所有电池达到终止电压大约需要4.5 h。第二次化成放电时，多数情况是5.5 h内未有电池提前到达1.50 V，5.5 h后转10 A，之后至所有电池达到终止电压大约需要6 h。两次化成放电时间在10～11.5 h之间，其中包括暂停电池智能充放电机用以跨接达到终止电压单体电池的时间。

2.2.3 改进监测控制方案

对于人工监测和控制电池充放电，人为因素对预防电池过充、过放电及提高电池充放电效率的影响较大[9]，要求有针对性地科学部署人员分工。为此，结合充放电过程的规律特点，可以按照下述方案进行人员监测部署。

1）前半阶段监测部署。

在电池初始充电过程中，9 h以内一般不会有单体电池达到终止电压（如果首次使用，浸泡不足或者后期电池性能下降，电池可能会在9 h以内到达）。这期间，测量电池电压的作业强度不大，对人员数量的要求不高，可以按照一组电池2人和两组电池3人的标准配置人员。

2）后半阶段监测部署。

在充电9 h以后，电池会陆续临近终止电压，要加快测量频率，作业强度增大。此时可以按照1组电池5人（1人控制电池智能充放电机，4人测量电池电压）和2组电池9人（控制充放电机人数与电池组数无关，均1人即可）的标准配置人员。若考虑优化人力资源，可将2组电池的充电启动时间间隔4 h左右，则也可2组电池配置5人。

电池放电过程中的监测部署可参考充电过程的部署。

2.2.4 成功经验的推广应用

1）灵活标识。

在充放电过程中，尤其是当多数电池临近终止电压高峰期时，可以对部分临近终止电压电池，通过用记号笔在缓冲帽上做记号或者侧立、倒立缓冲帽的方法来进行标识。

2）及时测量整体剩余电压。

由于较大数量电池同时到达终止电压，而测量人员无法及时测量全部电池且个别电池已处于临近过充（放）状态时，可以在暂停电池智能充放电机后，测量剩余电池电压，与到达终止电压的已测电池相比较，进行判断。如果不低于（高于）已测电池电压，则说明此电池也已充（放）电完毕[10]。

2.2.5 更换先进装备，实现监测控制自动化

随着装备技术的快速发展，越来越多的智能化设备投入社会，进而代替人工操作。作为智能装备重要组成的监测控制自动化技术已广泛应用在各个行业，成为现代装备的典型配置[11]。自动化的智能充放电设备可按照设定程序对单块电池进行实时监测和充放电控制，有效杜绝电池过充过放的问题，对改善电池性能和质量寿命具有显著作用。

3 提升锌银蓄电池性能的方法措施

温湿度对电池寿命及使用放电的影响明显。冬季较低的温度使得电池电压的输出困难，导致UUV的实际航速有所降低。按照常规的充放电方法，经常会出现实际航速提升较慢甚至始终达不到设计速度的现象。在高温潮湿的夏季，蓄电池的自放电和银迁移对隔膜的破坏加剧[12]，导致电池性能在后2个使用周期大幅下降，严重时几乎无法使用。由此可见，低温和湿热对锌银蓄电池的实际使用带来严重影响。针对锌银蓄电池的电化学原理，下面分别从“小电流”充放电和低温贮存2个方面对改善电池性能进行研究。

3.1 “小电流”充放电

3.1.1 “小电流”充放电试验[7]

从某组已使用2个周期的蓄电池组中随机选出6块单体电池，按照规程要求将每块电池充电至电压为2.03～2.05 V，对其中的2块电池继续以5 A电流进行充电，直至其电压达到2.05 V。在充电结束4 h后，再对这6块电池以30 A电流放电3 h，期间每块电池的电压变化情况如表1所示。

表1 放电期间电池端电压实测记录表Table 1 Test records of battery voltage duringdischarging V

表1数据显示：05号和06号电池的放电电压要高于其余电池，这表明“小电流”充电模式可以在一定程度上增加电池的充电容量及搁置后电压[13]，有利于电池在使用放电过程中保持较高的输出电压。

3.1.2 “小电流”充放电实际应用

在某次UUV实航中，用“小电流”充放电方法对蓄电池组进行了充放电。其第 3个周期的充放电数据（如表2所示）明显有别于常规充放电方法下的数据：电池接放电多 5 Ah，使用充电容量多 7 Ah。通过实航后数据处理也发现：该航次UUV达到速度阀值的时间明显缩短，后续速度平稳性好。

表2 “小电流”充放电与常规充放电数据对比Table 2 Data comparison between low current and common current charge-discharge

3.2 电池低温贮存

3.2.1 电池低温贮存试验

电池以放电态长时间贮存时，易置于低温环境[14]，温度为 0～15℃。如果条件允许，建议将电池置于冰箱中贮存，温度控制在0℃左右，较低的温度能够减少电池的自放电和银迁移对隔膜的破坏，这在一定程度上能够提高电池性能，增加电池使用周期、延长使用寿命。

这里选择某组4个月内已使用5个周期的蓄电池组进行低温贮存试验。试验方案：从该组电池中随机挑选20块电池，平均分成2组。一组电池按常规贮存条件贮存，置于12℃的环境中；另一组电池以低温贮存条件贮存，置于0℃的冰箱中。1个月后，对这两组电池进行接放电与使用充电测试，具体数据如表3所示。

表3 电池低温贮存实验数据对比Table 3 Data comparison between low temperature storage and normal temperature storage Ah

3.2.2 电池低温贮存应用

选择了一组 3个月内已使用 5个周期的蓄电池，先进行1个月的低温贮存，后通过“小电流”充放电，电池放电28 Ah，使用充电123 Ah。将该组电池用于UUV的实航试验，其实航表现出的动力性能（初始加速度、稳定航速和有效航程等）与配备有效期内电池的UUV相差无几。

相比之下，以往按照常规充放电方法使用5个周期的蓄电池，在常温搁置一两个月后，通过接放电及使用充电查看电池性能指标，发现其使用充电容量明显低于“小电流”充放电和低温贮存模式下的电池。

综上所述，“小电流”充放电和低温贮存在一定程度上提高了蓄电池性能，增加电池使用循环周期，延长电池使用寿命。

4 结束语

作为UUV动力能源的锌银蓄电池，其电池充放电后的性能状态将直接影响实航性能，关系到相关作业方案的制定和实际作业效益。为此，在锌银蓄电池准备过程中，技术人员一定要掌握电池的工作原理和相关规律，严格遵守操作规程，科学监测，不断总结实践经验，避免出现电池过放、过充现象，确保电池性能满足使用要求。此外，“小电流”充放电和电池低温贮存可有效发掘锌银蓄电池的潜能，有助于提高电池实际使用寿命[15]，降低 UUV使用成本。文中所提到的方法措施均得到实践的检验，对提高锌银蓄电池的使用水平具有重要参考价值。