熱電池的安全性設計探討

摘 要：隨著熱電池在武器系統應用領域的不斷擴展，熱電池作為武器系統重要的能源，熱電池的性能不斷提升，更長壽命、更大電流成為熱電池的發展方向。這些性能提升也對其使用安全性提出了更高的要求，本文從設計角度分析了影響熱電池安全性的因素，并就安全性設計進行了探討，為今后熱電池的安全性設計提供參考。

關鍵詞：熱電池；安全性；安全性設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.197

熱電池是一種一次性熱激活儲備電源，具有可靠性高、貯存時間長，激活快，工作溫度范圍寬，使用簡便和無需維護等優點。熱電池在通常情況下不導電，當外界給予能量激活后，開始工作輸出電能，熱電池內部溫度迅速升到500℃左右。激活后如果產生故障，如發生短路、熱失控，熱電池內部化學反應失控，內部溫度迅速至七、八百度以上，嚴重可能導致電池殼熔穿并向外高溫熔融物，對武器的性能和安全性產生重大影響，對人員及武器設備造成一定的傷害[1-2]。目前對于熱電池的安全性設計方面還沒有可依據的標準，只能依靠設計-驗證-設計更改及環境試驗考核來保證，國內幾家熱電池研制單位也沒有對安全性設計達成統一的認識[3-4]。本論文以熱電池設計為根據，就影響熱電池安全性的幾個因素進行了分析，進一步對熱電池安全性設計進行了詳細的探討，為今后熱電池的設計提供參考。

1 影響熱電池安全性的主要因素

1.1 電化學體系

常用的電化學體系有二元LiCl-KCl、三元低熔點LiCl-LiBr-KBr和三元全鋰LiF-LiCl-LiBr。熱電池最大理論工作溫區為313～436℃，低熔點電解質能在較長時間內保持熔融狀態，從而延長熱電池的工作時間。如果電解質體系選擇不當，加之熱電池的設計熱量過高，熔融的電解質從單體電池滲出，在單體電池間可形成短路，造成熱電池電壓輸出不正常可能引起電池故障。因此，熱電池電化學體系選擇不當也可能造成熱電池安全性問題，電化學體系的選擇應與熱電池使用要求遵循相互匹配原則，提高活性物質利用率，最大程度提高熱電池性能和保證其安全性。

1.2 殼蓋體的結構

熱電池的殼體和蓋體通常由具有一定機械強度、耐復雜力學環境的不銹鋼材料加工。蓋體是由鐵鈷鎳合金絲和玻璃粉燒結而成，總裝后通過氬弧焊將殼蓋體焊接在一起成全密封結構。殼體厚度不均勻、機械損傷、機械強度差、不耐高溫高壓、玻璃體密封不嚴等瑕疵都可能成為安全性隱患。因此，殼體壁厚應均勻、無嚴重機械劃痕，蓋體玻璃體應密封性高、耐高溫高壓和復雜力學環境，接線柱與蓋板保證絕緣，殼蓋體焊接密封牢固、均勻、無沙眼和耐受壓力。總之，殼蓋體對熱電池的影響主要由制造工藝技術來保證。

1.3 單體電池及電堆的結構

單體電池的結構主要有三合一結構和四合一結構，三合一結構主要由鎳網、阻流環、正極粉、電解質粉和負極粉組成。四合一結構主要由阻流環、正極粉、鐵加熱粉、電解質粉和負極粉一次壓制組成。四合一單體電池結構因其具有內阻小，制造工藝簡單，可檢測性好成為熱電池單體電池首選結構。單體電池在裝配之前必須經過檢驗其絕緣電阻、外觀合格方可使用。

對于長壽命、大功率熱電池，主要為外裝式電堆結構。熱電池電堆主要由集流體、加熱片和單體電池等組成，設計過程中需考慮輸出電路和內部電路設計、絕緣設計及保溫設計。影響熱電池安全性的主要有電路設計不合理、單體電池極性裝反、漏裝集流片和裝配錯誤等，單體電池絕緣電阻不合格、熱量過高都有可能引起熱電池故障，導致輸出電壓不正常或內部短路等，這些因素都極有可能引起熱電池安全性故障。

1.4 熱量設計

熱電池加熱系統的合理設計（熱量設計）是熱電池正常工作的前提，熱量設計決定了電池內部初始的溫度和電池的熱容量，關系到電池的熱安全性和熱壽命，不同類型的熱電池需要不同的熱設計方法。保證熱電池電性能的基礎下，熱量分布性和熱量設計的合理性直接關系到熱電池的安全系數。熱量分布設計不僅對熱電池激活時間、峰值電壓與電性能等技術指標產生一定的影響，而且將影響到熱電池的安全性[5-6]。體系中熱量設計過高，可能引起熱電池熱失控，化學物質反應迅速，導致熱電池出現安全性問題。熱量設計偏低，可能影響熱電池的性能不達標。因此，如何合理的進行熱量設計，成為許多科研技術工作者共同探索的一個課題。

2 熱電池的安全性設計探討

安全性設計決定了產品的固有安全性，通過生產管理和質量控制措施，實施設計方案，才能生產出滿足安全性性指標的產品。下面重點介紹熱電池在設計過程中需注意的幾個方面。

2.1 優選電化學體系

根據技術指標的要求，由電壓、電流、激活時間、工作時間和尺寸選擇熱電池適宜的電化學體系。電化學體系必須和熱電池的電性能特點相互匹配，提高材料利用率，最大程度的發揮電極材料的性能。常見的幾種電化學體系使用條件如下：

（1）二元氯化鋰-氯化鉀體系適用條件為：適合于高溫小電流放電，峰值電壓高，放電時間長。不適合于大電流長時間放電，大電流放電時，陰極容易生成J相，導致電極極化嚴重，影響正極的利用率；

（2）三元低熔點氯化鋰-溴化鋰-溴化鉀體系適用條件為：電導率低，峰值電壓低，放電容量大，放電中Li+/K+變化小，低溫性能好，適合于長時間大電流放電，適合長壽命熱電池體系；

（3）三元全鋰氯化鋰-溴化鋰-氟化鋰體系適用條件為：熔點較高，放電容量高，適合于大電流大功率放電要求，放電環境要求苛刻，不宜用于長壽命熱電池。

2.2 殼蓋體的結構

2.2.1 熱電池殼體

熱電池的殼體通常用不銹鋼鋼車制或不銹鋼板沖制而成，在設計時必須考慮材料的耐物理機械強度，熱電池殼體厚度，光滑度等影響殼體機械強度等。熱電池殼體的厚度一般在1mm左右，用不銹鋼無縫鋼材料加工，必須對殼體的外觀、工藝尺寸檢驗合格后使用。

2.2.2 熱電池蓋體

熱電池用蓋體一般選用不銹鋼冷軋板材料加工，蓋板的厚度通常在3mm左右，蓋體是由鐵鈷鎳合金絲和玻璃粉燒結而成，必須對玻璃體燒結后的外觀、有無沙眼、氣泡和密封性進行檢測合格后方可使用。

2.3 單元電池

2.3.1 單體電池

單體電池在設計時必須考慮其配方的合理性、成型壓力和電極材料。制造過程中通常需要檢測單體電池的外觀、絕緣電阻大于20，檢測合格的單體電池才能裝配熱電池。

2.3.2 電堆結構及裝配

電堆結構必須符合電路安全基本原理，要對內部電路設計和外部電路輸出設計的合理性進行檢查確認。在裝配時電堆串聯單體電池的極性保持一致，避免少裝集流元件。同時電堆的絕緣電阻應符合要求，靜電壓在正常范圍內。上下保溫設置合理，避免溫度過熱導致單體電池中電解質滲出引起電堆短路。

2.4 熱量設計

2.4.1 熱量分布性設計

熱電池主要靠其內部的加熱系統提供熱源，為了達到設計要求，通常調整加熱片在電池堆中的徑向分布，使每個單體電池工作溫度都盡量接近在一定的范圍之內。在熱電池設計中主要采取以下方法：

（1）加熱片重量沿電堆縱向呈梯次分布，即沿縱向由中間向兩端加熱片的重量逐漸增大，通過加熱片自身的熱量提高熱電池電堆兩側的溫度，確保單體電池的工作溫度盡量接近；

（2）在電堆兩側加入熔鹽緩沖材料，通過在熱電池激活初期緩沖材料熔化吸收熱量，隨工作溫度的逐漸降低，緩沖材料開始凝固放熱保持電堆兩側的工作溫度。同時為了避免熱沖擊，還要對其采取緩沖措施，確保在規定的工作時間內，整個電堆處于正常工作溫度范圍。

2.4.2 熱量設計

熱電池熱容量設計的原則就是熱體系放出的熱量必須保證電池的內部溫度在熱電池工作溫度范圍內，熱容量設計和電容量設計必須匹配。

一般短壽命熱電池熱容量設計相對較小，熱電池設計時主要考慮熱電池的電容量，在電容量設計滿足的前提下，進行匹配的熱容量設計；中長壽命熱電池熱容量設計較大，熱電池設計時主要考慮電池的熱容量，在熱容量設計滿足的前提下，進行匹配的電容量設計，需要犧牲熱電池的電容量換取大的熱容量。在實際設計中，熱量的設計常常以熱比系數來衡量，較高的熱比系數可能導致熱電池內部熱失控，較低的熱比系數會影響熱電池性能，熱電池的熱量設計必須在熱電池安全熱比系數范圍內。不同電化學體系的安全熱比值范圍有較大的差異，對于熱比系數的確定可通過不同的高低溫環境試驗考核來確定。通常熱電池熱設計的合理性考核方法是：電池低溫全負載試驗和高溫空載試驗[7]。

2.4.3 保溫設計

電堆周圍的保溫設計主要是確保在指標規定的工作時間內，整個電堆處于正常工作溫度范圍。根據電池工作時間的長短，選擇適當的保溫材料和保溫層厚度。同時在保溫設計要考慮適當散熱問題，使熱電池盡可能長地維持在穩定的溫度范圍內，避免局部溫度過高引起熱電池熱失控。目前，應制造成本等原因，國內保溫材料使用最多的為石棉紙材料。

參考文獻：

[1]陸瑞生，劉效疆.熱電池[M].北京：國防工業出版社，2005.

[2]李國欣.新型化學電源技術概論[M].上海：上海科學技術出版社，2007.

[3]李玉民.影響熱電池電性能的因素[J].探測與控制學報，2001，23（09）：46-50.

[4]高艷，劉合財，龔敏慶.熱電池的可靠性模型[J].貴陽學院學報，2010，5（03）：52-54.

[5]孟凡明.長壽命熱電池的熱設計[J].電子技術參考，1993（04）：34-42.

[6]段成麗.長壽命熱電池的技術對策[J].電源技術，2012，8（36）：1248-1249.

[7]李立.熱電池的熱設計[J].第三屆全國信息與電子工程學術會議、四川省電子學會曙光分會第十四屆學術年會暨院青年科協第八屆學術年會論文集，197-201.

作者簡介：樊龍龍（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：火工品質量監督。