反坦克導彈用熱電池研究進展

謝婷婷，劉海瑞，王曉峰，李科連

(1.中國電子科技集團公司 第十八研究所，天津 300384；2.陸軍裝備駐北京地區軍代局駐天津地區軍代室，天津 300384；3.江西洪都航空工業集團有限責任公司，江西南昌 330024)

反坦克導彈作為擊毀坦克和其他裝甲目標的戰術導彈[1]，在國家安全領域具有重要地位。與其它反坦克武器相比，反坦克導彈具有命中精度高、威力大、射程遠、輕便性好等優點[2]；與其他戰術導彈相比，具有結構簡單、造價低、使用方便等特點。

電源系統[3]對于各型導彈的功能實現具有重要的意義。20世紀60年代，我國開始了對第一代熱電池的研究，采用杯式結構設計，結構復雜，以WO3或V2O5為陰極，Ca 或Mg 為陽極，如Ca或Mg/PbCrO4、Ca或Mg/WO3、Mg/V2O5等電化學體系，電池放電功率小、工作時間短，主要應用于空空導彈和反坦克導彈[4]。到20 世紀60 年代中期，開始采用先進的片型結構，電池結構更為緊湊、簡單、合理，電池電化學體系為Ca/CaCrO4。美國的“尾刺”導彈使用的就是該體系熱電池，比能量為12 Wh/kg，是20 世紀70 年代性能最好的熱電池。20 世紀70年代中期，美國桑迪亞實驗室開始對LiMx/FeS2(LiMx代表鋰合金)熱電池進行研究，電池技術指標得到了很大提升，鋰系熱電池進入全面發展時期。隨著電化學體系的不斷發展，國外對于負極材料開展了從LiSi 合金到鋰鐵合金(LAN)的應用，國內開始了自己的研制路線，從LiSi 合金向LiB 合金發展。期間，正極CoS2也進入了研究者的視野，電池的激活時間和脈沖比功率水平都得到了提升。

目前，隨著國際形勢的不斷變化和高新技術的發展，不少國家加緊了對新一代主站坦克和反坦克武器的研制[5]。為攻擊新型主戰坦克，美、俄、西歐各國和地區重點發展新一代中程反坦克導彈[6]。圖1 為以色列的拉斐爾公司設計的“長釘”(吉爾)中程反坦克便攜導彈。隨著反坦克導彈技術的不斷發展，對其供電系統的要求也越來越高。

圖1 “長釘”(吉爾)中程反坦克便攜導彈

本文針對反坦克導彈用熱電池快激活和瞬時高比功率技術，結合熱電池電化學材料體系發展歷史、現狀，作了如何提升快激活能力，提高瞬時比功率輸出能力的技術探討，并對技術發展趨勢進行了展望。

1 熱電池技術發展

1.1 快激活熱電池研究進展

熱電池激活時間[7]是指從外部輸入激活信號開始到電池電壓達到規定下限值所需要的時間。整個激活過程需要經過一系列的動作，包括外部信號引爆內部點火頭，點火頭發火引燃內部引燃條和引燃片，各層鐵粉加熱藥被引燃、電解質融化，目前熱電池激活時間大部分在1 s 左右，但是對于各型反坦克導彈來說，要求其激活時間盡可能縮短。因此國內外對于彈用熱電池的激活速度提升從未停止研究。

國內方面，康等[8]研究了二元和三元體系的電解質對于激活時間的影響，實驗結果表明當電池采用空載激活模式時，電池的激活時間較短；而在帶載模式下，需要根據工作電流來決定。同時其還研究了單體厚度對激活時間的影響[9]。種等[10]研究了影響激活時間的鐵粉加熱藥，并對燃燒產物進行了分析。

國外方面，Guidotti[11]對鋯粉加熱藥的壓實密度進行了研究，密度過大，激活時間延長。Czajka 等[12]在Fe 粉與KClO4質量比為84∶16 的鐵粉加熱藥中添加Mo 粉和Ti 粉，提高了鐵粉加熱藥的燃速，縮短了電池激活時間。

國內外還進行了單體制備工藝的優化，包括涂布[13]、絲網印刷[14]、輥涂技術[15]等一系列先進工藝的使用，這些工藝的應用大大降低了電池中電極材料的用量，有效降低了單元電池的高度，縮短了電池激活距離，在一定程度上加快了熱電池的激活速度。

對于熱電池激活速度的提升，國內外學者都在開展系列的研究工作，歸結起來主要包括：降低電解質的熔點，通過減少前期的熱量攝入來縮短激活時間；采用改性的加熱系統，通過改變加熱藥的配比，提高熱量的輸出，進而縮短電池的激活時間；采用新型的單體成型模式，通過縮短電池激活過程中的激活路徑來實現電池激活水平的提升。針對反坦克導彈用電池在一定負載下激活的工作特征，隨著各項先進技術的不斷深入研究，反坦克導彈用熱電池的激活時間也將實現不同程度的優化，0.2 s 激活時間的熱電池也將指日可待。

1.2 高比功率熱電池研究進展

反坦克導彈在工作過程中需要電源系統具有瞬時高功率的輸出能力，但是鑒于目前反坦克導彈小型化、輕型化、便攜化需求的不斷加大，要求電源系統具有大的瞬時比功率輸出能力，從電池發展初期的單位質量瓦級到千瓦級。同樣國內外對于熱電池瞬時高比功率輸出的研究也在持續進行，包括負極材料體系的更迭、正極材料的優化以及正極新體系的研究等。

在負極材料方面，李等[16]曾對熱電池的陽極材料進行了論述，首先是國內對于LiSi 合金的使用曾經在相當長一段時間促進了熱電池比能量及比功率的增加，但是隨著熱電池指標的進一步提高，LiB 合金逐步進入大家的視野，使得熱電池中負極Li 的含量明顯增加，電池工作能力輸出得到了進一步加強。種等[17]也對相關結論通過實驗進行了驗證，表明LiB合金負極具有好的脈沖放電特性，即熱電池具有高的比功率輸出能力。與LiSi 合金相比，LiB 合金的鋰含量從44%(質量分數)提升到了70%，單電池電壓提高近0.2 V，進而實現了電池比功率的提升。國外方面[18]，對于負極材料開始階段同樣采用了LiSi，后期，隨著熱電池比功率及能量需求的不斷提升，LAN 負極被廣泛應用，其中包括LiAl合金的應用。

過渡族金屬硫化物是目前熱電池應用較多的正極材料，其中FeS2是目前應用最為廣泛的熱電池正極材料，主要以天然礦的形式存在。但是FeS2的分解溫度較低，只有550 ℃，在電池工作過程中極容易發生分解，增加熱電池的內阻，從而降低其瞬時大功率輸出的能力。高[19]指出為了提高FeS2的性能，可以加入一定量的石墨來改善FeS2的導電性能，降低其內阻。楊等[20]采用噴霧法工藝制備了FeS2薄膜正極，在其中加入了適量的超導炭黑作為導電劑，并進行200 mA/cm2的電性能測試，確定了該電流密度下炭黑的添加量為5%(質量分數)時，電池容量最高，并且較不添加炭黑的正極材料來說，具有更小的內阻，有效提高了單體電池的放電能量。隨著CoS2體系的出現，熱電池的抗脈沖工作能力得到了很大突破，這是因為CoS2的電阻率僅為0.002 Ω·cm，較FeS2的內阻率17.7 Ω·cm 要低很多，同時CoS2的分解溫度較FeS2高出約100 ℃。Xie 等[21]對CoS2正極材料進行了碳包覆，在完成碳包覆以后，電池在工作前期內阻降低，抗脈沖能力明顯提高。孫等[22]對二硫化鈷在高功率熱電池上的應用進行了研究，發現采用CoS2材料制作的熱電池內阻較FeS2的降低了40%左右。

國外方面，Kang[23]對FeS2進行了改性研究，將FeS2進行了納米化處理，同時在正極材料中加入少量石墨，使得電池的性能得到大幅度提升。Choi 等[24]對FeS2進行了改性研究，在FeS2中分別加入0.1%～1%(質量分數)的炭黑和多孔碳納米管，實驗結果表明當炭黑添加量為1%時，電池表現出最好的電化學性能，電池比容量最高。Guidotti[25]采用等離子噴涂法成功制備了薄尺寸的CoS2正極片，提升了電池的比容量，降低了電阻率，減少了極化，有效提升了熱電池的大功率工作能力。

與此同時，為了進一步提高電池的比功率輸出水平，國內外學者不斷加大對于新的正極材料的研究。Choi 等[26]開展了Ni-Mo-S 復合材料的研究，該復合材料的制備大大降低了電池的內阻。Guo 等[27]對氟化物正極材料進行了研究，氟化物正極材料較傳統硫化物正極材料單片電壓升高，有效降低了電池的質量，實現了電池比功率的提升。Yu[28]對Fe-Co-S 復合材料進行了研究，實驗結果表明當Co 與Fe 的摩爾比為3∶7時，電池表現出了較強的抗脈沖能力。Hu 等[29]同樣對這一現象進行了研究，但是其與Yu 的結果不同的是當Co 與Fe 的摩爾比為1∶1 時，電池具有較為可觀的性能。Jin 等[30-31]對NiCl2正極材料進行了研究，該正極材料較目前在用的硫化物體系單體電壓具有明顯的提升，該團隊在正極表面進行了碳包覆，使得正極表面形成碳涂層，對其進行了單元電池的測試，電極材料比能量達到了641 Wh/kg，較單純NiCl2有明顯的提升，同時電池的抗脈沖工作能力也得到了有效提升。

針對反坦克導彈用熱電池對于比功率的要求，可以通過兩方面的研究來實現：一方面是從傳統電化學體系入手，通過選用高鋰含量的鋰合金負極材料，改性的正極材料及優化的電池制備工藝來實現電池比功率的增加，進而提升熱電池性能；另一方面，可以通過開展新的電化學體系的研究，比如高電壓的氟化物、氯化物材料，低內阻的復合材料，通過材料本身的電極優勢，實現導彈對于熱電池比功率的需求。

2 展望

較高的快速響應能力、高性能的控制、精準的打擊與有效的毀傷是所有武器系統共同的發展目標[32]。為了實現這一目標，歐美以及亞洲各國都在積極推進熱電池新型電化學體系研究，尋求正極材料技術突破。除了對傳統硫化物材料進行改性外，還布局新型硫化物、氯化物、氟化物、氧化物等材料研究，以實現電池比功率的進一步提升；另一方面，通過改進引燃材料、激活方式和單體制備工藝，使激活時間更短，制備200 ms以內激活時間的反坦克導彈用熱電池也將實現。