魚雷電池進展

劉 勇， 陳洪鈞

（海軍駐天津地區兵器設備軍代表室，天津300381）

電動魚雷是海軍重要的反潛、反艦水下兵器。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釋放出數十至數百千瓦的能量。因此對電池組提出了較苛刻的要求。經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。

1 鋅銀電池

鋅銀電池是目前國內使用最廣的水中兵器裝備動力電源，應用于多型魚水雷，潛艇模擬器和誘餌。鋅銀一次電池主要應用于魚水雷；鋅銀二次蓄電池主要應用于操雷及訓練用裝備，一些深潛器也使用大容量鋅銀二次蓄電池。

因為鋅/氧化銀電池的單極性和雙極性電池用在水下魚雷，已經有很長的歷史。意大利和法國公司，制造的MU90/IMPACT魚雷（重魚雷和輕魚雷）都采用模塊化設計，應用各種結構的鋅/氧化銀電池組。德國隨著戰術和技術發展需要，對服役的魚雷各結構部分進行分期改進，制定了更新結構計劃，包括電源部分，如德國的SEEHECHTCM2A4魚雷的技術理念是提供的武器具有杰出的水平，通過系統元件的逐步改進及對魚雷性能和能力改進，生產出這種魚雷的下一代產品。

2 鋁/氧化銀電池和鋁/過氧化氫半燃料電池

鋁是理想的負極材料，但目前鋁陽極在化學電源中并沒有得到大規模的應用，其制約因素主要有：(1)鋁表面容易形成鈍化膜，極化嚴重；(2)鋁容易與介質發生嚴重析氫反應，利用率較低；(3)堿性介質中，鋁陽極成流反應和腐蝕反應產物均為Al(OH)3，膠狀的Al(OH)3不但降低電解質電導率而且增加鋁陽極極化，使得鋁電池性能惡化。針對不同的功率需求，目前應用于水下環境中的鋁電池主要有鋁-氧化銀電池和鋁-過氧化氫半燃料電池。

2.1 鋁-氧化銀電池

Al/AgO電池以Al合金為負極，AgO為正極，以溶解有KOH或NaOH的海水為電解液。這種電池適合用于大電流放電，單體電池在1000 mA/cm2工作時仍可保持1.6 V左右的電壓。電池段比能量可以達到130 Wh/kg以上，質量和體積比功率分別可以達到1200 W/kg和2000 W/dm3。

在歐洲，鋁/氧化銀電池在電動魚雷上已得到較成熟的應用。法國核潛艇裝備的改進型“黑鯊”魚雷，據稱由意大利WASS公司與法國DCN公司聯合開發，采用Al/AgO電池推進。另外，歐洲魚雷公司已有聯合銷售和升級的計劃，德國的SUT、DM2A4，法國F17Mod2等重型魚雷都可能采用鋁/氧化銀電池進行升級。

美國和亞洲國家也都對Al/AgO電池給與了高度的關注。美國西屋公司曾報道了用于重型魚雷的600 kW鋁/氧化銀電池，該電池采用兩個模塊的并聯設計，以實現大功率輸出。在亞洲，韓國自主研發的反潛魚雷也采用了鋁氧化銀電池驅動水噴射推進器。

2.2 鋁-過氧化氫半燃料電池

與鋁氧化銀電池相比，鋁-過氧化氫半燃料電池的比功率較低，一般只有50～200 W/kg，但它具有更高的質量比能量（電池本體330 Wh/kg）和體積比能量（360 Wh/dm3），而且成本只有Al/AgO電池的1/3。該電池是以鋁為陽極材料，過氧化氫為陰極反應物質，電解質為高濃度的NaOH或KOH溶液。500～800 mA/cm2的電流密度工作時，單體電壓可以達到1.2～1.4 V。這種電池屬于“準一次電池”，在放電結束后，電池可以通過更換鋁電極和雙氧水來進行機械方式的“充電”。

目前，Al-H2O2半燃料電池主要在AUVs（水下自航器）推進上。這種水下探測裝置的航速一般只有4節左右，對推進電源的輸出功率要求不高（1 kW左右）。AUVs可用在深海資源的勘查、軍事偵察和水下無人武器系統等國防科技領域，已經受到歐美等發達國家的重視。加拿大Fuel Cell Technologies公司采用 Al-H2O2燃料電池系統為美國 Mbari，Bluefin AUV提供動力，下潛到水下4500m，在300 W功率下可連續工作270 h（能量為80 kWh）。美國Alupower公司也研制成功Al-H2O2燃料電池AUV動力系統，并有少量產品投放市場。

除了鋁電池的共性問題——鋁陽極的析氫和表面鈍化外，Al-H2O2半燃料電池存在的技術問題主要是，H2O2電還原活性較低并分解釋放氧氣。因此目前的研究工作主要集中在高性能的電極結構和陰極催化劑上。

3 鎂電池

水激活電池主要用作魚雷的動力電源，按照電化學體系又可細分為鎂/氯化亞銅電池、鎂/氯化銀電池等。鎂陽極系列電池主要用作一部分引進裝備的替代電源，鋁/氧化銀電池作為新型高比能量一次電池，已經開始在裝備上批量使用。從電位和理論容量來看，鎂也是較好的負極材料。制約鎂應用為負極材料的主要問題有兩個：一是在水溶液中鎂負極表面容易形成鈍化膜，導致它實際的電勢比理論電勢要正的多；第二個是鎂負極在水溶液中會有較大的自腐蝕，庫侖效率較低。針對這些問題，目前主流的解決途徑就是鎂材料的合金化和電液添加劑的使用。

近年來，關于鎂海水電池的報道主要集中在中小功率方面，中等功率的鎂海水電池一般采用過氧化氫等作為陰極；小功率的鎂電池，則直接使用海水中溶解的氧氣作為陰極活性物質。

4 鋰系列一次電池

鋰系列一次電池包括鋰/亞硫酰氯電池、鋰/二氧化硫電池和鋰/二氧化錳電池等。此類電池在中小電流密度放電條件下的比能量高、電池荷電貯存時間長，因此可作為魚水雷的引信、儀表和值更電源。

4.1 鋰水電池

鋰水電池負極為金屬鋰，正極為鎳片或惰性金屬，電解液為堿性水溶液。電池直接以水作為陰極活性物質，理論比能量8000 Wh/kg，比非水電解質的鋰電池高得多，而且鋰在堿性溶液可以高速溶解，適合大電流工作。因此，鋰水電池是具有良好發展前景的水下電源之一。

從目前國內外的報道來看，鋰水電池研究工作主要集中在有效控制鋰電極自腐蝕上。主要的思路有三種：（1）鋰電極的合金化；（2）電液添加劑的使用；（3）在鋰電極表面制備人造膜。

鋰在堿性溶液中容易形成LiOH鈍化膜，在一定的條件下，膜的溶解速度和生成速度可以達成動態的平衡。人們希望通過合金元素和電解液添加劑的使用對膜的性質加以調節。最理想的狀態是膜內Li+導通而H+不能透過，這樣的結構就可以在鋰溶解的同時不發生析氫反應。

4.2 鋰亞硫酰氯電池

鋰-亞硫酰氯是一種非水無機電解質電池，使用溶有LiAlCl4的亞硫酰氯作為電解液，其中亞硫酰氯既是電解質溶劑又是陰極活性物質。負極為金屬鋰，正極一般為安裝在不銹鋼片上的有shawinigan碳和特氟龍的冷壓片。

該電池的主要優點是：（1）比能量高，電池本體的質量比能量和體積比能量分別可以達到420 Wh/kg和800 Wh/dm3；（2） 低溫性能好，工作溫度－55～85℃，（高溫電池－55～150℃）（3）濕儲存壽命長，可以達到5年以上。

但Li/SOCl2電池存在電壓滯后及安全性問題：（1） 鋰電極在儲存時表面容易形成一層致密的LiCl保護膜，這層膜電子絕緣，Li+導電，LiCl膜隨貯存而加厚，從而導致電壓滯后；（2）在短路或重負荷下，電池容易熱失控。

美國亞德尼公司為聲納浮標試制的Li/SOCl2電池用于大功率脈沖放電。電池采用雙極性結構，陰極采用比表面積60m2/g和比表面積＞1000m2/g的高比表面積碳粉混合壓制，正負極間采用玻璃纖維隔離，單體間采用熱塑性材料密封，電解質為1.6 mol/L的LiGaCl4。

4.3 鋰離子電池

(1)結構電池

結構電池由高強度的聚合物纖維和聚合物鋰離子電池組成，既能提供能量又能起到承力結構件的作用。這種設計將電源系統和結構支撐系統合二為一，克服了塊狀電池和質量大、體積大的缺點，不僅可以減輕質量，還可以擴大有效的裝載空間。

在聚合物鋰離子電池中，隔膜、正極膜、負極膜均是有一定機械強度的聚合物膜，集電體（銅網、鋁網）也可以提供一定的力學支撐，加上包裝膜的機械強度，通過合理的設計可以滿足受載要求。

(2)動力電池

鋰離子電池作為動力電池在水下環境中應用，最初是從小型的UUV開始的，隨著高倍率性能和安全性的不斷提高，逐步應用于魚雷等水中兵器的推進上。目前，鋰離子電池在操雷上的應用已日趨成熟，有逐漸取代鋅銀電池的趨勢。與鋅銀電池相比，鋰離子電池在比能量、循環及濕儲存壽命、制造和維護成本方面都具有絕對的優勢。因此新型的電動魚雷一般都采用鋰離子電池進行訓練。

5 展望

對魚雷電源，鋅銀電池的技術進步已趨于極限，鎂氯化銀和鋁氧化銀海水電池都有一定的局限性，要和先進SCEPS熱動力推進系統競爭，發展Li/SOCl2電池是較好的選擇，經過多年實踐，世界各國都趨于采用流動電解液途徑，技術難度相當大，還需要有一定的時間，采用綜合工程技術，才能解決其安全方面的問題，真正進入實用階段[1-2]。

[1]張宇文.魚雷總體設計原理與方法[M].西安：西北工業大學出版社，1998.

[2]吳和聲，徐杏欽.高科技背景下的魚雷武器[J].魚雷技術，2003,1(3):1-5.