石治國

(海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)備軍代表室，天津 300384)

水中兵器電源最主要的兩大領(lǐng)域為魚雷電源和潛艇電源。這些電源早期大都為鉛酸蓄電池。隨著科學技術(shù)的發(fā)展。魚雷、潛艇對航速、航程、潛深性能的要求的提高，迫切要求具有高比能量、高比功率的電池作為它們的電源。本文主要針對國外魚雷電池的應用進展情況進行介紹。

1 發(fā)展歷程

魚雷自1868年由英國人懷特黑德首次制成，二戰(zhàn)以前都是熱動力的，直至1938年德國生產(chǎn)出使用鉛酸電池做動力的魚雷，也是世界上第一支電動力魚雷。在電動力魚雷中，電池作為推進電機電源。要在幾分鐘到十幾分鐘直至三十分鐘內(nèi)釋放出數(shù)十至數(shù)百千瓦的能量。因此對電池組提出了較苛刻的要求。

主要條件如下：

(1)由于推進系統(tǒng)要占一枚魚雷質(zhì)量和體積的50%以上，因此電池組必須有高的比能量。其理論值至少在400 Wh/kg以上；

(2)電池組必須有高的比功率，能夠在大電流放電時保持電壓輸出不變。電壓不變，魚雷速度也不變。

(3)電池組在不維護的條件下能長期(至少5年)處于戰(zhàn)備狀態(tài)，一旦激活即能滿負荷使用。

(4)在啟動魚雷時，能在十幾秒鐘內(nèi)輸出數(shù)倍于穩(wěn)態(tài)電流的瞬間電流。另外要能經(jīng)受大的瞬時動力負載。

(5)電池組除供給推進電機電源外，還要供給輔助系統(tǒng)電源。

(6)電池組沒有爆炸性氣體放出。

(7)電池組在放電期間所放出的熱，必須由電池組本身發(fā)散。

(8)電池組對魚雷發(fā)射操作人員及艦艇上其他人員不發(fā)生生命危險。

經(jīng)過世界各國長期實踐和檢驗，目前應用廣泛的為鋅銀電池、鎂/氧化銀海水電池，先進的鋁/氧化銀電池和鋰亞硫酰氯電池等。

2 鋅銀電池

由于鋅銀電池具有比能量高，比功率大，可大電流放電，放電電壓平穩(wěn)，電壓精度高，安全性好等優(yōu)點，被廣泛應用于各種魚雷、水雷、潛水艇、救生設(shè)備等。目前各種新型武器對鋅銀電池的要求日益苛刻，使用容量大，放電電流變化多且跨度范圍大，而電壓精度卻要求很高，因此，提高電極性能就成為鋅銀電池研究發(fā)展工作的重點之一。

鋅銀電池在干貯存過程中的老化主要與貯存時間和貯存溫度有關(guān)。在干貯存期間，鋅銀電池會出現(xiàn)容量下降、激活時間延遲、電壓降低等性能下降的現(xiàn)象，因此，不僅帶來了電池性能的不可預期性，而且，為了使干貯存后容量滿足要求，通常將正極活性物質(zhì)過量以滿足要求，或需要將電池定期的更換，均帶來了巨大的制造成本。而鋅銀電池在干貯存期間性能下降的主要原因是銀電極中AgO的不穩(wěn)定性。

AgO與金屬銀的反應，金屬銀主要來源于未完全反應的銀粉和金屬銀骨架。這一反應嚴重影響電池的電壓，因為Ag2O的內(nèi)阻比AgO大的多。而且，和金屬銀骨架的反應尤其有害，因為電極的導電骨架不僅起著支撐活性物質(zhì)的作用，同時還起著導電及均勻分配電流的作用，在活性物質(zhì)和骨架界面形成的一薄層Ag2O，造成了電壓的下降。雖然隨著放電過程的進行，這層Ag2O會逐漸轉(zhuǎn)換成銀，電壓也會逐漸趨向正常，但是暫時的下降對一些應用場合也是不允許的。AgO分解成Ag2O和氧氣，這個反應不但影響電池的容量，而且影響電池的電壓。

銀電極釋放的氧氣又是導致高活性鋅負極表面鈍化的最主要的來源。雖然鋅負極表面鈍化的來源包括電池封閉空間內(nèi)的O2、CO2、水蒸氣及其它活性氣體，而最主要的來源是正極中AgO分解產(chǎn)生的O2。銀電極釋放的氧氣與鋅電極的活性表面發(fā)生反應，形成一層鈍化膜。當這層鈍化膜積累到一定程度時，也會引起電池的激活時間延遲和電壓下降，尤其是高倍率放電條件下的電壓下降。

因此，銀電極性能的改善對鋅銀電池的性能有重要的影響，尤其是鋅銀電池的干貯存性能。

銀電極作為鋅銀電池的正極，一般由燒結(jié)銀極板經(jīng)陽極化處理(化成)生成氧化物而得到，電極的活性物質(zhì)包括了Ag、Ag2O和AgO三個價態(tài)的物質(zhì)?；墒峭ㄟ^充電使銀電極從還原態(tài)(放電態(tài))轉(zhuǎn)變成氧化態(tài)(荷電態(tài))，在化成過程中采用不同的化成制度，銀電極中上述三種物質(zhì)的含量、分布、性能等就各不相同，從而對銀電極的性能，尤其是干貯存過程中的老化性能產(chǎn)生重要的影響。

由于三個價態(tài)物質(zhì)的存在，一方面造成了電池電壓的兩坪階特性，即高坪階和低坪階，電池放電的低坪階電壓非常平穩(wěn)，而電池放電的高坪階電壓通常并不是有益的，因為高坪階電壓并不平穩(wěn)且出現(xiàn)時間短，一般超出額定電壓值約20%，給電池的使用帶來許多不便。另一方面，AgO的不穩(wěn)定性是鋅銀電池貯存性能下降的主要原因，AgO在電池貯存過程中會發(fā)生分解反應，并由此造成了電池的容量下降、電壓降低、激活時間延遲及內(nèi)部壓力增大。

因此，消除銀電極放電初期的高坪階電壓，同時提高AgO的穩(wěn)定性，就成為銀電極研究熱點。而化成是通過充電使電極從放電態(tài)轉(zhuǎn)變成荷電態(tài)，在化成過程中采用不同的充電制度及化成充電后采用不同的電極處理方法，銀電極中上述三種物質(zhì)的含量、分布、性能等就各不相同，從而對銀電極的性能產(chǎn)生重要影響。

鋅銀魚雷電池今后的發(fā)展方向是擴大雙極性堆式結(jié)構(gòu)的應用，進一步改進自動激活裝置，繼續(xù)研究AgO分解機理。制備分解速度緩慢的AgO材料，采用先進隔膜，改進電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高電池的干儲存和濕儲存壽命。

德國主要電動力魚雷概括如表1所示。

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3 鋁/氧化銀電池

鋁在中性及酸性介質(zhì)中的標準電極電位為－1.66 V(vs.SHE)，堿性介質(zhì)中為－2.31 V(vs.SHE)；理論比容量為2.98 Ah/g，僅次于鋰；而其體積比容量為8.05 Ah/cm3，高于其他所有金屬。目前，提高鋁/氧化銀電池性能的主要技術(shù)途徑有：(1)從鋁電極本身出發(fā)，添加合金元素如In，Mn，Mg，Zn，Ga，Sn，Tl等，改善鋁合金陽極性能，使得鋁電極得到活化；(2)從反應介質(zhì)出發(fā)，在反應介質(zhì)中加入可降低鋁陽極析氫速率的添加劑；(3)從電池的結(jié)構(gòu)出發(fā)，使電池與外部環(huán)境間排氣和換液等傳質(zhì)過程更為順暢，或采用電解液循環(huán)流動的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表2為SAFT公司120 kW 鋁氧化銀魚雷電池的主要參數(shù)。憑借比能量、比功率、安全性、儲存壽命等方面的優(yōu)勢，A l/AgO電池是目前魚雷電池的首選。

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4 鋰電池

鋰無疑是最理想的負極材料之一。目前，非水體系的鋰電池和鋰離子電池已經(jīng)在水下環(huán)境中得到越來越廣泛的應用，水體系鋰電池的研究工作也得到了廣泛的關(guān)注。

4.1 鋰亞硫酰氯電池

1984年，美國就開始研制輕型魚雷用Li/SOCl2電池，但由于熱失控而發(fā)生爆炸，法國也研制過用于重型魚雷的600 kW Li/SOCl2電池(比能量200～250 Wh/kg，工作時間12 min，電池組長2 m)，研制中遇到的主要問題也與美國相同。因此，Li/SOCl2電池目前多用于小功率或大功率脈沖放電的水下裝置中。

美國水下作戰(zhàn)中心試制的用于AUV的大型Li/SOCl2電池，由24個單體串聯(lián)組成，分為三個模塊，每個模塊8個單體。單體電池容量1 200 Ah，電極面積1 300 cm2，以38 A的電流工作時，單體電壓可以達到3.3～3.45 V。電池段直徑533 mm，長1 320 mm，總功率2 800 W。電池本體比能量可以達到463 Wh/kg，電池段比能量308 Wh/kg。

4.2 鋰離子電池

(1)結(jié)構(gòu)電池

結(jié)構(gòu)電池早期主要是想用作空間電源。近幾年，有文獻報道了UUV用結(jié)構(gòu)電池的試制。與空間電源相比，深水下環(huán)境中，電池需要更高的抗壓強度，另外，設(shè)計者還需要考慮防水密封(泄露會引起腐蝕和短路等問題)、散熱(電池外層結(jié)構(gòu)體較厚)和整體中性懸浮設(shè)計(密度的選擇)等問題。

(2)動力電池

新型的電動魚雷無論是輕型還是重型，其航速都要求達到50 kn。因此輕型魚雷所需功率大于100 kW，重型魚雷所需功率約250～300 kW。而魚雷能給電池提供的長度有限，由于鋅銀二次電池與鋁/氧化銀電池的比能差別，若用鋅銀電池，不能滿足高速時功率要求。這種情況下只能縮短航行時間，但航行時間太短會影響操練的效果。鋰離子電池電壓約是鋅銀電池的2.3倍，質(zhì)量和體積比能量分別是鋅銀電池的1.5倍和1.3倍，能較好滿足訓練要求。另一方面，鋰離子操雷電池的循環(huán)壽命為50～100次(因放電倍率高，循環(huán)次數(shù)較普通鋰離子電池少)，鋅銀電池的循環(huán)壽命為5～10次，鋰離子動力電池每瓦時價格已降至0.35$，遠低于鋅銀電池，優(yōu)勢十分明顯。

亞德尼公司為輕型魚雷開發(fā)的75 kW 鋰離子電池，工作電壓300 V，由100只25Ah的方型電池組成，分為5個模塊，每個模塊20個單體。單個電池模塊可以在63 V下以250 A連續(xù)放電，5個模塊放電時，溫升大約30℃(初始溫度20℃)。電池比功率可以達到650 W/kg，使用壽命為8～10年，可充放電200次，可通過魚雷殼體上的接口直接充放電。電子控制裝置可實現(xiàn)充放電時的安全互鎖。目前美國正在研究如何進一步提高電池高速率放電能力，減小電池組的電壓降，以及提高寒冷天氣條件下的啟動能力。

SAFT公司制造的電池組300 kW 重型魚雷電池比能量可以達到93.75 Wh/kg。該公司在UUV、魚雷、SDV、SRV、小型潛艇等鋰離子動力電池的開發(fā)設(shè)計上都有較強的技術(shù)儲備，有能量型至功率型的多種型號的電池模塊，可針對不同能量和功率的需求加以組合，如表3所示。

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5 展望

總之，在未來的魚雷電池應用中，無論是何種類的電池，高比能量、高比功率才是魚雷電源的發(fā)展方向。目前來看，鋰系列電池具有較好的發(fā)展前景[1-2]。

[1]呂鳴祥.化學電源[M].天津：天津大學出版社，1992.

[2]李國欣.新型化學電源技術(shù)概論[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2006.