一種耐高速旋轉的儲備式鋰電池電堆結構

徐春波，余 帆，隋 鑫

一種耐高速旋轉的儲備式鋰電池電堆結構

徐春波1，余 帆2，隋 鑫1

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 武漢長海電力推進和化學電源有限公司，武漢 430064）

針對鋰亞硫酰氯儲備電池在高旋轉環境下，電解液集中分配于電堆邊緣，電堆邊緣短路嚴重，出現隔膜燒蝕、工作電壓持續下降問題，本文設計了一種耐高速旋轉的儲備式鋰亞硫酰氯電池電堆結構，并進行了旋轉激活帶載試驗。結果表明：電池在14000 rpm的轉速下，電池放電電壓平穩，隔膜未出現燒蝕現象。

儲備式鋰電池 高速旋轉 電堆結構

0 引言

近年來，隨著武器裝備的快速發展，常規武器如榴彈炮、迫擊炮等戰術武器智能化程度越來越高，智能炮彈也得到廣泛關注。炮彈在發射時及飛行過程中，伴隨著高過載及高速旋轉，在彈體內部會產生彈塑性應力波的傳播，從而會引起彈體內每一處節點的位移、速度、應力及加速度的突變[1-4]。因此，在彈丸內部為引信供電的電源也要承受相應的擠壓、位移、沖擊、離心力等惡劣的工況環境，造成電源結構的損壞，特別是電堆結構的變化，產生斷電，電噪聲、電壓下降、內部短路等問題，電池失效無法對外供電[1]。引信用貯備式鋰/亞硫酰氯一次電池因其連續工作時間長，倍率性能好，適合大電流放電，在多種非旋轉彈及旋轉彈上得到了廣泛應用。在國外，早在二十世八九十年代，美國已經開展了用于引信的貯備式鋰/亞硫酰氯電池，并成功裝備與多型炮彈上，提升了炮彈智能化程度[1-3]。經過幾十年的完善和發展，逐步解決了電池激活可靠性、耐受高過載及高旋轉、及貯存壽命問題。我國在引信用貯備式電池方面，起步較晚，目前只有較少的科研院所開展相關研究工作[1]。

本文針對貯備式鋰/亞硫酰氯電池在用于旋轉彈引信時，所遇到的電池漏電、內部短路及電壓下降等問題，提出一種耐受高速旋轉的電池電堆結構。

1 高速旋轉鋰對電池電性能的影響

貯備式鋰/亞硫酰氯電池用于旋轉彈上，在發射及飛行階段，都將承受較大的旋轉離心力。如圖1所示，在離心力作用下，電解液向電堆邊緣位置移動，大量電解液聚集在邊緣部位，雙極性結構電堆中各單元負極與相鄰單元正極通過邊緣過量電解液發生劇烈反應，導致漏電嚴重，輸出電壓下降，甚至造成內部短路，隔膜燒黑，電池失效無法對外供電。

圖1 貯備式鋰亞硫酰氯電池電堆結構示意圖

2 試驗

2.1 電堆改進

針對高速旋轉工況下電解液聚集在邊緣導致電池漏電嚴重問題，提出了一種能夠耐受高速旋轉的電堆結構，如圖2所示。該結構在雙極性電堆的每個單元外部增加聚四氟乙烯材質的絕緣環，將各單元正負極隔離開，用以解決相鄰單元的漏電問題。

圖2 邊緣包覆絕緣環的電堆結構示意圖

2.2 高速旋轉激活試驗

將改進前后的干態鋰/亞硫酰氯電池電堆裝配好，并連接上用以記錄數據的數據采集板，旋轉擰緊于高速電機旋轉軸上；電解液分裝于激活管內并用薄膜片密封，試驗裝置如圖3所示。用高壓氣將電解液推入電池電堆中，同時開啟高速電機，在規定時間內將電機轉速調節至指定值。測試電堆旋轉激活放電性能。

3 結果分析與討論

按照2.2所述試驗方法，負載為33Ω，電堆與電解液分開固定裝配于電機旋轉軸上，將電機轉速設定為14000 rpm，待電機轉速穩定后，開啟高壓氣，將電解液注入電堆中。分別測試改進前后電堆的旋轉激活帶載性能，結果如圖4、圖5所示。

圖3 高速旋轉試驗裝置示意圖

圖4 改進前電堆的旋轉激活帶載性能

圖5 改進前電堆的旋轉激活帶載性能

由圖4可以看出，改進前電堆在電解液注入后，正常激活，電堆帶載電壓在120 ms左右迅速爬升至9.0 V以上，滿足激活時間要求；帶載電壓到達峰值14.5 V以后，逐漸下降，隨后一直降低至要求電壓值以下。

圖5為在電堆邊緣增加聚四氟乙烯材質的絕緣環后，電堆激活旋轉激活帶載曲線。可以看出，電解液注入后，電池激活正常，且最高電壓達到16 V，并且放電平臺穩定在15.5 V左右，電壓未出現下降情況。

對比圖4、圖5，可知，未在電堆邊緣做絕緣措施時，電堆激活后對外供電不穩，電壓持續下降；在電堆邊緣增加絕緣環并將邊緣密封后，電堆激活正常，在相同的負載下，電堆對外輸出電壓有所上升，且工作電壓平臺穩定，未出現電壓下降、掉電等情況。在相同的負載下，改進后電堆對外輸出電壓比改進前電堆高出1.5 V。分析原因，主要在于改進前后電堆的漏電情況不同。由于電解液過量，電堆激活后，在高速旋轉環境下，過量電解液向電堆邊緣移動，電堆邊緣聚集大量流動的電解液，導致嚴重的漏電，甚至出現微短路，因此，帶載電壓快速下降。在電堆邊緣增設耐腐蝕的絕緣環，并作密封處理后，雖然在高速旋轉力下，過量電解液仍然有向電堆邊緣運動的趨勢，但由于邊緣位置增設絕緣環并作密封處理，邊緣流動電解液減少，過量電解液在電堆之間分配相對均勻，有效減少了漏電電流帶來的危害，表現為帶載電壓升高，工作電壓平穩。

4 結論

本文提出的一種耐高速旋轉的儲備式鋰電池電堆結構，該結構在電堆邊緣位置增加耐蝕材料制成的絕緣環，有效解決了電堆邊緣流動電解液聚集，電堆漏電嚴重的問題。高速旋轉激活試驗表明，改進后電堆輸出電壓更高，電壓平臺更穩定。隨著炮彈智能化程度越來越高，對引信電池的需求越來越大，為了適應引信工作環境，為引信供電的儲備電池，其結構必然需要耐受高旋轉及高過載的惡劣環境，且僅僅保證電池結構不受損，仍然不能滿足引信對液態儲備電池放電平穩的基本要求，因此需要在電池電堆結構穩定性及電解液分配的均勻性等方面做進一步研究工作，使鋰儲備電池在武器裝備上得到更廣泛的應用。

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A Kind of Lithium Reserve Battery Stack Surviving High Spin Rotation

Xu Chunbo1, Yu Fan2, Sui Xin1

（1. Wuhan Institute of Electrical Marine Propulsion, Wuhan 430064; 2. Wuhan Changhai Electric Propulsion and Chemical Power Source Co. Ltd, Wuhan 430064）

TM912

A

1003-4862（2019）09-0040-03

2018-02-18

徐春波（1989-)，工程師。研究方向：引信電池研究工作。E-mail: 765117753@qq.com