水中兵器鋰離子動力電池安全性問題的幾點思考

胡 光

（海軍裝備部，山西 太原 030027）

0 引 言

鋰被譽為“能源金屬”，鋰電池是目前綜合性能最好的電池體系。鋰離子動力電池是20世紀開發成功的新型高能電池，具有比能量高、重量輕、體積小、壽命長、無記憶效應、綠色環保無污染等優點，在動力電源領域得到迅速發展，其應用領域包括數碼產品、家用電器、電動汽車、航空航天和武器裝備等。隨著技術的不斷進步，鋰動力電池性能不斷提高，鋰電池單體容量越來越大，水中兵器采用鋰動力電池動力電池不僅擁有良好的低噪聲性能，便于躲避對方聲納等探測設備，而且二次鋰電池能多次重復使用，便于部隊訓練，節約使用成本，具有很高的經濟性。世界上許多國家都已在水中兵器和小型潛艇等裝置上試用鋰離子動力電池。鋰動力電池為未來水中兵器的發展提供了很好的選擇，但是其安全性成為其在水中兵器領域應用過程中的一大瓶頸。

1 國內外鋰離子動力電池現狀

法國SAFT公司是世界著名的鋰電池生產公司，其各種型號鋰離子電池已廣泛應用于衛星、UUV（無人水下航行器）以及各類便攜式電子設備上。目前該公司生產的圓柱型單體鋰離子電池比能量達到143 W·h/kg，80%DOD的比功率為345 W/kg，為裝備潛艇而制造的鋰離子動力電池，單體容量為3 000 Ah級。

美國YARDNEY公司已為水下軍事裝備研制了三款鋰離子動力電池，包括：1）水下無人作戰平臺（UUV）電池系統，總能量10 kW·h，360塊單體容量8 Ah，電壓324 V。2）全電動魚雷高功率鋰離子電池系統，由100塊單體容量25 Ah的鋰動力電池組成電池組，最大功率密度650 W/kg。3）袖珍潛艇裝置（AS?DS-1）的高能量鋰離子電池系統，2005年首次安裝于ASDS-1艇，鋰離子電池總能量1.2 MW·h，單體電池能量密度170～200 W·h/kg。

我國鋰離子動力電池研制始于20世紀，隨著我國大規模資金的投入，以及“863”電動汽車重大專項的實施，鋰離子電池有了較大發展，生產的鋰離子電池性能與國外產品相當。目前我國鋰離子動力電池主要包括電動自行車電池、特種車用電池和電動汽車用電池等，各種鋰離子動力電池均處于產業化起步階段，國內單體容量已突破500 Ah，并通過了國家電動汽車安全性測試項目，性能良好。比亞迪公司2008年12月份推出的F3DM雙模式純電動車其搭載的鋰電池，輸出功率為125 kW，鋰電池續駛里程達100 km以上[1]。

2 鋰離子動力電池的安全性分析

1）正極材料不同，安全性不同。民用產品中，目前的正極有鈷酸鋰和錳酸鋰兩種量產的材料產品。鈷酸鋰比能量高，但氧化性強，在175°時就會分解，殼體泄漏，與空氣接觸，發生燃燒、爆炸。錳酸鋰材料，結構穩固，氧化性能遠遠低于鈷酸鋰，分解溫度超過鈷酸鋰100℃，即使由于外力發生內部短路（針刺），外部短路，過充電時，也完全能夠避免由于析出金屬鋰引發燃燒、爆炸的危險[2]。

2）隔膜的設計與選取，對安全性有較大影響。隔膜作用是隔離電芯正、負極片，以防止卷芯內部正、負極片直接接觸造成短路，從微觀角度看，隔膜表面為網狀結構。區分隔膜通常按厚度、寬度進行劃分，鋁殼鋰離子電池使用的隔膜厚度通常為16 um、18 um、20 um等，動力電池使用的隔膜厚度以30 um以上為主流。當電池內部溫度達到130℃（鋰離子電池國家標準GB 18287—2000）以上時，隔膜的網狀孔將閉合，以達到阻止電芯內部溫度繼續升高的作用，從而保護電芯產生爆炸的危險，隔膜在電池內部溫度過高時還能融化，以防止電池爆炸。

3）電路保護的設計至關重要。保護電路起到防止過充電、過放電、超大電流的作用，通過限制電池的放電電壓延長電池壽命。主要原理是通過測量每一只電芯的電壓和總電流，控制開關電路進行整個回路的關斷。保護電路是基于電阻、電容，開關MOS管等電子元器件組成的PCB電路，各個元器件都存在失效的可能性，導致電池保護失效影響電池的安全性，因此，保護電路的設計是否合理，可靠性是否足夠高，極大地關系到電池安全性。

4）電池使用環境及方法對安全性影響很大。一般鋰離子電池工作溫度范圍為-25~45°C，應避免在嚴酷條件下使用（高溫、高濕度、夏日陽光下長時間暴曬等），避免將電池投入火中；避免激烈碰撞，外部的激烈碰撞也會增加其安全風險。

3 水中兵器領域應用鋰離子電池需考慮的安全性問題

由于水中兵器作戰環境的特殊性，以及日后部隊在使用、訓練、存放過程中的特殊要求，決定了鋰離子動力電池在選型時必須考慮以下幾個問題。

1）選擇安全的正極、電解液等原材料。應盡量避免安全性差的正極材料。例如：避免選取鈷酸鋰，而選取錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰等比能量雖然較低，但安全性較高的材料。錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰比較適用于中等容量的動力電池，這已經是國際上一個比較認可的技術選擇，在容量、安全性、循環壽命等多方面都已經完全能適應普通動力設備的要求。但是動力鋰離子電池電解液溶劑體系仍然存在著易燃易爆的缺點，雖然通過多種方式安全性已大大提高，但其本身的可燃性仍然存在，因此，有針對性研究一些阻燃添加劑或使用離子液體，才能從根本上解決電池易燃易爆的問題。

2）選擇熱關閉性能好的隔膜。隔膜熱關閉性能好壞直接影響電池的安全性能，選擇合適的厚度、形狀及材料，并在隔膜中加入能夠在高溫下自動封住孔的有機添加劑，以使溫度升高時，在隔膜及時關閉，從而使內阻上升，讓內部反應停止下來，保證電池的安全性。

3）設計安裝防爆閥。防爆閥是電池的重要防護設施，當電池內部壓力或溫度達到預置的標準時，防爆閥打開，進行卸壓，以防止內部氣體積累過多，發生形變，導致電池殼體爆裂。

4）要有良好的保護電路。通常保護電路設計是否合理，可靠性是否足夠高，是電池安全性重要體現。失效的保護電路會出現開路或導通兩種狀態，當開路時會導致用戶不能使用電池組，而導通的狀態將會考驗電芯抗過充的能力，因此，除了合理的設計外，一定要按照水中兵器電子電路使用要求，做好元器件篩選、環境試驗、失效分析等各類試驗并嚴格測試。

5）重視特殊使用環境下的安全性研究。安全是武器裝備使用的基本要求，應該不惜犧牲重量比能來換取鋰電池安全性；同時，為滿足水中兵器特殊的水下環境及存儲要求，鋰離子動力電池安全性測試試驗應考慮水下環境要求。

6）注重生產、使用和存儲安全。嚴格按照國標、國軍標做好電池過充試驗、短路試驗、針刺試驗以及熱沖擊等各項安全試驗；并避免在裝配、存儲、運輸、使用過程中由于人為操作不當或在超過設計要求的嚴酷條件下使用造成的安全傷害。

4 結束語

對于依靠電池提供動力的水中兵器來說，其核心技術在于電池，鋰離子動力電池是當今動力電池行業研究的熱點，是未來最有可能取代現有水中兵器傳統動力電池的理想電源。隨著鋰離子動力電池使用經驗的逐漸積累與生產制造技術的不斷成熟，可以預見，鋰離子動力電池應用于水中兵器是必然趨勢。我國的鋰離子動力電池發展水平與國外基本相當，只有加快研制步伐，滿足水中兵器使用安全性高、環境溫差范圍廣、充放電功能性強、倍率放電使用性好等條件的鋰離子動力電池，才能使其在水中兵器領域得到廣闊的應用。

[1] 陳新傳,宋強,呂昊.國內外鋰離子動力電池發展概況及啟示[J].船電技術,2011(4):2-3.

[2] 吳凱,張耀,曾毓群，等.鋰離子電池安全性能研究[J].化學進展,2011(3):405-407.