高能量鋰電池物超所值

認(rèn)識(shí)到電池技術(shù)的局限將最終導(dǎo)致新產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸，美國(guó)國(guó)防部最近確認(rèn)了對(duì)新一代高能量、長(zhǎng)壽命電池的迫切需求。通過對(duì)理想電源管理解決方案的研究，Tadiran公司的科學(xué)家開發(fā)出了TLM系列電池，這是一系列高能量的鋰金屬氧化物電池，目前使用在各種各樣的軍事和航空航天應(yīng)用之中。這種新一代的高能量鋰電池因其性能屬性而引起了軍事/航空航天設(shè)計(jì)工程師們的極大興趣，比如超長(zhǎng)的貯存期、高速率電能、瞬間激活以及在極限環(huán)境條件下較高的生存性。

下面將簡(jiǎn)要描述在軍事/航空航天應(yīng)用中常用的電池化學(xué)機(jī)制。

貯備電池和熱電池
貯備電池包含了范圍很廣的化學(xué)物質(zhì)，包括鉛酸、銀-鋅和鋰亞硫酰氯。在所有貯備電池中，電解質(zhì)與其他有效成分分開存儲(chǔ)并保持著其惰性，直到有煙火裝置被用于啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。

熱電池是最受歡迎的貯備電池類型，它使用金屬鹽電解質(zhì)，而后者在固態(tài)和環(huán)境溫度下呈惰性，且不導(dǎo)電。這種電池由爆竹激活，后者會(huì)帶來(lái)煙火充電，導(dǎo)致電解質(zhì)在400～700℃的溫度范圍內(nèi)繼續(xù)融化，從而使電池達(dá)到最佳的導(dǎo)電性。一旦激活，熱電池就會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)釋放出高速率的電能，提供從幾瓦到幾千瓦的連續(xù)電流，電流的大小取決于電池的大小和化學(xué)機(jī)制。

圖1 鋰金屬氧化物電池的內(nèi)部視圖

熱電池提供了某些優(yōu)勢(shì)，包括耐久性、安全性、可靠性和較長(zhǎng)的貯存期。不過，這種類型的電池也具有固有的局限性，因?yàn)橘A備/熱電池不能在電池未完全耗盡的情況下進(jìn)行測(cè)試，而且電池的激活要推遲到化學(xué)反應(yīng)開始的時(shí)刻。

另一項(xiàng)主要缺點(diǎn)是，熱電池一定是體積相對(duì)較大的，需要采用保溫層來(lái)保持熱量以便激活的電解質(zhì)能夠保持融解，并保護(hù)周圍零件不受熱損傷。熱電池是專門為一次性應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

銀鋅電池
銀鋅電池的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，制造成本更高，需要燃?xì)獍l(fā)生器、管狀電解質(zhì)貯存器、歧管、電池塊、排氣口和加熱系統(tǒng)。因此，銀鋅電池需要更長(zhǎng)的生產(chǎn)交付周期，而且因?yàn)樗哪芰棵芏鹊停?60Wh/L），所以會(huì)帶來(lái)性能限制。

旋轉(zhuǎn)激活電池
旋轉(zhuǎn)激活電池通常用于引信和某些船舶應(yīng)用，它將電解質(zhì)存儲(chǔ)在小瓶或囊狀物中，當(dāng)自動(dòng)推進(jìn)武器啟動(dòng)后，小瓶或囊狀物被割開，旋轉(zhuǎn)外殼的離心力會(huì)將電解質(zhì)分散到整個(gè)電池組中。旋轉(zhuǎn)激活電池是專門為一次性應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

使用鋰亞硫酰氯化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)激活電池現(xiàn)在被用于給子雷和通信干擾機(jī)供電，后者采用配備有降落傘的炮彈來(lái)推進(jìn)以確保軟著陸。

旋轉(zhuǎn)激活電池也被部署在多功能火炮引信（Multi-Option Fuses for Artillery，MOFA）應(yīng)用中，包括105和155mm的爆炸式火炮射彈。為尋求一種標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，美國(guó)國(guó)防部最近決定使用鋰氧化物/鹵化物電池代替鉛酸或熱電池，為最新一代的MOFA供電。如果這些MOFA裝置采用大功率鋰金屬氧化物電池供電，而不是鋰氧化物/鹵化物化學(xué)機(jī)制，就可以實(shí)現(xiàn)顯著的性能優(yōu)勢(shì)，包括容量增大7倍（200mAh和30mAh），電流增大超過10倍（達(dá)到3.5A，之前為325mA），電壓將更穩(wěn)定，而激活速度將更快（可以瞬時(shí)激活，而之前為100ms的延遲量）。