- 高能量鋰電池介紹
- 高能量鋰電池的用途與缺點
- 貯備電池和熱電池
- 旋轉激活電池
- 高能量鋰金屬氧化物電池
下面將簡要描述在軍事/航空航天應用中常用的電池化學機制。
貯備電池和熱電池
貯備電池包含了范圍很廣的化學物質(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并保持著其惰性,直到有煙火裝置被用于啟動化學反應。
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,且不導電。這種電池由爆竹激活,后者會帶來煙火充電,導致電解質(zhì)在400~700℃的溫度范圍內(nèi)繼續(xù)融化,從而使電池達到最佳的導電性。一旦激活,熱電池就會在相對較短的時間內(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機制。
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,包括耐久性、安全性、可靠性和較長的貯存期。不過,這種類型的電池也具有固有的局限性,因為貯備/熱電池不能在電池未完全耗盡的情況下進行測試,而且電池的激活要推遲到化學反應開始的時刻。
另一項主要缺點是,熱電池一定是體積相對較大的,需要采用保溫層來保持熱量以便激活的電解質(zhì)能夠保持融解,并保護周圍零件不受熱損傷。熱電池是專門為一次性應用而設計的。
銀鋅電池
銀鋅電池的設計更復雜,制造成本更高,需要燃氣發(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,銀鋅電池需要更長的生產(chǎn)交付周期,而且因為它的能量密度低(260Wh/L),所以會帶來性能限制。
旋轉激活電池
旋轉激活電池通常用于引信和某些船舶應用,它將電解質(zhì)存儲在小瓶或囊狀物中,當自動推進武器啟動后,小瓶或囊狀物被割開,旋轉外殼的離心力會將電解質(zhì)分散到整個電池組中。旋轉激活電池是專門為一次性應用而設計的。
使用鋰亞硫酰氯化學物質(zhì)生產(chǎn)的旋轉激活電池現(xiàn)在被用于給子雷和通信干擾機供電,后者采用配備有降落傘的炮彈來推進以確保軟著陸。
旋轉激活電池也被部署在多功能火炮引信(Multi-OptionFusesforArtillery,MOFA)應用中,包括105和155mm的爆炸式火炮射彈。為尋求一種標準化的解決方案,美國國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/鹵化物化學機制,就可以實現(xiàn)顯著的性能優(yōu)勢,包括容量增大7倍(200mAh和30mAh),電流增大超過10倍(達到3.5A,之前為325mA),電壓將更穩(wěn)定,而激活速度將更快(可以瞬時激活,而之前為100ms的延遲量)。
圖2軍事/航空航天電池必須提供高速率電能、瞬間激活以及在極限環(huán)境條件下較高的生存性
鋰二氧化硫
鋰二氧化硫(LiSO2)電池幾乎僅用于軍事/航空航天應用,主要涉及到移動通信設備和背負式電臺。這些電池的使用壽命有限,而能量密度則不到鋰亞硫酰氯電池的一半。在那些需要連續(xù)數(shù)小時的高速率電能的應用中,LiSO2電池將提供最佳的性能。
可充電軍事電池
由于移動的需要,軍事應用主要依賴于一次電池,但可充電電池也被部署在各式各樣的戰(zhàn)場應用之中,比如背負式電臺和探測器。使用可充電電池的缺點包括需要獲取電能,并且需要合適的充電時間。
近些年,可充電電池技術取得了顯著的進展。最早的密封式鉛酸可充電電池使用壽命相對較短、容量較低且重量過于沉重,而新一代的NiCd、NiMH和鋰離子電池則提供了更大的容量、更輕的重量以及更長的工作壽命??沙潆婋姵丶夹g繼續(xù)發(fā)展,引入了適用于低溫應用的可充電電池,而LiNiCoAl、LiFePO和LiNiMnCo等化學物質(zhì)則提供了更高的能量密度和更好的安全性。
高能量鋰金屬氧化物電池
最近,Tadiran推行了TLM軍工級高能量鋰金屬氧化物電池,它使用COTS技術來提供大電流脈沖和高速率電能,而且具有長達20年的保存期限,因為在室溫下它每年的自放電速率小于1%。這些電池目前有3種標準的圓柱形規(guī)格(AA尺寸,CR-2尺寸和20mm長度),另外AAA尺寸(10mm)的電池也即將問世。這種高能量電池也可以很容易地配置成電池組,以滿足客戶的特定需求;因為它們使用COTS部件,所以產(chǎn)品設計和生產(chǎn)周期都可以實現(xiàn)快速調(diào)整,從而節(jié)省大量成本。
鋰金屬氧化物電池能提供多達2Wh的電能,具有4V的額定電壓,135~500mAh的放電容量,能夠處理5A的連續(xù)脈沖和最高15A的大電流脈沖。這些電池采用基于碳的陽極結構,多金屬氧化物陰極,有機電解質(zhì)和關閉隔離板,以提高安全性。這些電池還具有極低的自放電,很寬的工作溫度范圍(40~85℃),其震動、沖擊、溫度沖擊、鹽霧、高度、加速度(50000gn)和旋轉(30000rpm)性能遵從美軍標810G。這些電池的擠壓、碰撞、針刺、加熱、過充電和短路性能也遵從UN1642和IEC60086標準,可以作為安全貨物來運輸。
高能量鋰金屬氧化物電池不會像熱電池那樣在內(nèi)部產(chǎn)生很高的溫度,因此不需要隔熱層,從而顯著縮減了尺寸、重量和成本,特別是與銀鋅電池相比,后者需要爆竹,燃氣發(fā)生器和外部加熱元件。
與熱/貯備電池和旋轉激活電池不同,高能量鋰金屬氧化物電池支持瞬間激活,不需要爆竹或燃氣發(fā)生器。這些電池也可以進行定期測試,以確保系統(tǒng)準備就緒,從而減少了導彈制導系統(tǒng)中“啞彈”的數(shù)量。這些電池的電量可以間歇性地獲取,所以它們不限于一次性應用。