水激活電池研究現狀

楊林億

（中國船舶重工集團公司第七研究院武漢科技開發中心，武漢 430079）

0 引言

隨著世界經濟的發展和科技的進步，人類與海洋的關系越來越密切。在經濟發展層面上，國際間海上貿易越來越頻繁，海上安全保障任務加劇，提高海上救生設備水平，尋求適合救生設備使用的電源是擺在人們面前的重要問題；在科技層面上，人類對海洋探索深入，各類監測設備電源以及軍事反潛裝備電源，武器推進用電源都是海洋事業發展中需要解決的重要環節。

水激活電池作為一種傳統電源，非激活狀態貯存壽命長，免維護，安全可靠，適用于救生設備、科技設備及武器裝備，而且其電極材料資源豐富，生產工藝成熟，質量、體積、容量沒有固定的標準，可以根據不同需要進行設計和生產，便于使用。隨著水激活電池研究的深入，其在軍用和民用設備上的范圍越來越廣。

1 水激活電池的基本原理和特點

水激活電池是一種儲備電池，這種電池使用前為干態，使用時注入水或含水電解液激活后即可工作。

目前生產的水激活電池正極主要以銀系列、銅系列、鉛系列為主。負極主要采用鎂、鋁、鋅三種金屬材料，其中鎂的應用最廣泛。鎂電極雖有某種程度上的副反應，但隨著多種新型鎂合金的研制發展，減小了腐蝕反應，提高了工作電壓，逐漸成為水激活電池的主要負極材料。

水激活電池的基本工作原理與原電池一樣，由不同材料制成的正極和負極之間的電位差產生電動勢，推動電解液中的離子作定向移動形成電流。

水激活電池與普通一次或二次電池相比，具有許多的優點[1]：安全可靠、低溫性能好、貯存壽命長、比能量和比功率相對較高。

水激活電池在工作狀態下也會受到不同的電解質環境的影響：

（1）淡水中離子含量低，電池激活速度較慢，電壓較低，為了適應使用環境，需要在電極材料中添加某些鹽類，以提高電池激活速度和工作電壓：在離子含量高的海水中，電池無需添加任何鹽類便可達到設計要求，而且激活快（<1s）,工作電壓高。

（2）對于控流型的水激活電池，需要復雜的電解液控制系統，進行對電解液的進入、分配、排除、氣液分離等，導致電池造價高昂。

2 水激活電池的發展與應用現狀

水激活電池最早以鎂/氯化銀電池形式出現[2]。二戰期間已用作電動魚雷的電源，以后又擴大到浮標、探空氣球、航標燈和救生設備的電源。由于氯化銀價格較高，其水激活電池產品長期以來只作為軍用產品。為了使水激活電池能推廣到商用和民用，1949年又推出了廉價的鎂/氯化亞銅水激活電池，隨后陸續出現了如鎂/氯化鉛、鎂/碘化亞銅、鎂/硫代氰酸亞銅等系列水激活電池。水激活電池的研究導致對幾乎所有的正負極活性材料進行配對研究，最后形成了結構不同、性能各異的多種實用電池系列，滿足了軍用、民用的多種要求[3][4]。

水激活電池的發展目前主要有三個方向[5]：

（1）小功率金屬腐蝕水激活電池

（2）半燃料電池

（3）大功率動力電池

表1 水激活電池用途類型

2.1 研究進展

自從 1983年國際海上人命安全公約修正案通過之后，世界各國對海上救生用水電池都進行了大量的研究并得到了廣泛的應用[6]，用于聲納浮標電源的水激活電池也取得了很大進展，對電極材料的研究也取得了一定的成果。

2.1.1 正極材料的研究進展

在水激活電池的各類正極材料中，氯化銀因其優良的電化學性能而被應用于各類水激活電池。但由于氯化銀價格昂貴，難以得到廣泛使用。在小功率用途上，人們尋求更為廉價的替代品，如現今還在廣泛使用的銅系列、鉛系列，這兩個系列的水激活電池性能雖然不及銀系列電池優越，但其價格低廉、性能穩定，能滿足小功率、長時間放電的需求，受到研究人員的廣泛關注。對于大功率、脈沖型用途的水激活電池正極材料現今依然以銀體系為主，其中氯化銀因其物理特性既可鑄壓成型，也可電解成型，便于生產加工，產品使用程度較高。鎂/二氧化錳電池和鎂/氧化鎳電池在理論值上雖然與鎂/氯化銀電池相接近，但其反應生成的氫氧化錳和氫氧化鎳使電池內阻增大，降低了放電性能，正極材料添加一定比例石墨或乙炔黑后，放電中降低了內阻，但電池性能仍不及鎂/氯化銀電池優異。鄧姝皓等[7]研究發現 Mg/導電 PANI組成的水激活電池在一定環境條件下具有高電壓（1.94V）、大電流（85mA/cm2）的特性，而且價格較低，在一定的使用要求下可以替代氯化銀，具有很好的應用前景。

2.1.2 負極材料的研究進展

鎂、鋁、鋅是水激活電池常用的幾種負極材料，其中鎂是應用和研究最廣泛的負極材料。

純鎂作為水激活電池負極放電使用時，反應產物粘附性強，電極表面逐漸被反應產物覆蓋，導致電池放電性能迅速下降。鎂合金配方的研究希望從三個方面提高電性能：（1）有更負的電位和更好的放電性能；（2）反應產物易從表面脫落，不因放電時間的延長而減少反應面積；（3）析氫量較低。

早期研究的 AZ61和AZ31鎂合金，與純鎂相比反應產物較易離開電極表面，粘附物較少，但放電性能不理想。國外在20世紀60—80年代已對鎂合金進行了廣泛的研究與試驗，目前研究水平較高的有英國鎂電子公司生產的 AP65和MT75以及俄羅斯鎂／氯化亞銅電池用的鎂合金負極材料[8]，它們代表了當今水下推進器用水激活電池鎂合金負極材料領域的先進水平，其共有特點是電位負，析氫量低，成泥少，陽極極化低。

鄧妹皓等[9]研究發現，鎂合金中含有的 Pb、Sn、Ga等高氫過電位元素的過電位，增大了正極氫析出反應，使氫去極化反應減慢，從而發生微觀原電池腐蝕的鎂合金負極溶解過程阻滯，自腐蝕速度降低，利用率提高。馬正青等[10]研制的新型鎂合金在人造海水介質中開路電位增加，穩定工作電位增加，電極表面腐蝕均勻，與AP65相比具有優良的電化學性能。

表2 純鎂及其合金在人造海水介質中的析氫速度

鎂合金用于長時間工作的水激活電池時，會自腐蝕產生孔蝕[11]，而導致電池提前失效。因此作為電極使用的鎂合金必須先進行合適的表面處理，以化學方法處理為主，經處理液處理過的鎂合金負極在放電試驗中比未經處理的鎂合金負極表面活性元素分布更均勻相對面積增大，表面反應均勻，析氫量低，激活時間縮短，工作時間長[12]。

2.2 需要解決的問題

水激活電池在的研制，除了要進一步解決電極材料的優化，還需要對電池結構進行更合理的優化設計。水激活電池在放電過程中，有氣體和氫氧化物生成，如果排放不暢，就會導致電池堵塞，使反應無法繼續，所以改進電池的進液和出氣排渣是水激活電池設計的關鍵問題之一。

水激活電池一般都采用二級分配、多空進液的方式，這在一定程度上減少了電池接地造成的容量損耗，但在電池各單體之間依然會產生“漏電流”的問題。

水激活電池組在放電過程中，單體電池的反應都在共同的電解質中，由于電解質是導電的，單體電池之間形成通路，產生漏電。“漏電流”的產生導致了電池整體性能的降低，消耗了電池的容量，造成了浪費。

目前，減小“漏電流”的主要方法是改進延長單體電池到單體電池之間液路，但由于受到電池尺寸的限制，有一定的局限性。在許多實例中，電池的負極或正極連接到一個外部的金屬表面，漏電流從電池中流到這個表面，通過在電池開口處放置一個帶溝槽的蓋，可以控制這些漏電流[13]。

3 結語

水激活電池安全可靠、非激活狀態貯存壽命長、瞬時激活、免維護等優良特點在目前軍用和民用上有著廣泛的用途。隨著先進電極材料的研究發展，電池工藝水平的不斷提高，水激活電池的性能將會得到進一步提高，其應用也會進一步拓寬。

[1]李國欣著. 新型化學電源導論[M]. 上海: 復旦大學出版社, 1992.

[2]郭炳焜, 李新海, 楊松青編著. 化學電源—電池原理及制造技術[M]. 中南大學出版社, 2003

[3]吉澤四郎主編, 楊玉偉譯. 電池手冊[M]. 北京: 國防工業出版社, 1987

[4]D.Linden.Handbook of Batteries and Fuel Cell.Mc GrawHill Book Company. 1984

[5]唐耀, 李歧旭. 淺談用海水電池提高潛艇失事浮標工作可靠性[A]. 救撈專業委員會 2004年學術交流會論文集[C]. 2004. 282-286

[6]陳寶東, 何清標. 銅系列海水電池的研究[J]. 船電技術, 2002,(2).

[7]鄧姝皓, 易丹青, 鄭康麗等. 新型 Mg/導電 PANI海水激活電池性能研究[J]. 船電技術, 2007, 27(6):334-338.

[8]王樹宗.魚雷動力電池技術發展水平概述[J].海軍工程學院學報, 1994, (1):95-102.

[9]鄧姝皓, 易丹青, 趙麗紅等. 一種新型海水電池用鎂負極材料的研究[J]. 電源技術, 2007,(5).

[10]馬正青, 黎文獻, 余琨等.海水介質中高活性鎂合金負極的電化學性能[J]. 材料保護, 2002, 35(12)：16—18.

[11]孫秋霞著. 材料腐蝕與防護[M]. 北京：冶金工業出版社, 2001.3, 64.

[12]黃銳妮, 王宇軒, 李林. 表面處理對鎂合金負極表面狀態及其電化學行為影響的研究[A].第二十七屆全國化學與物理電源學術年會論文集[C]. 2006年

[13]戴維.林登, 托馬斯 B.雷迪著, 汪繼強等譯電池手冊[M]. 化學工業出版社, 2007: 317.