多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲備電池

張亞萍,李要民

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

儲備電池也叫激活電池，電極活性物質(zhì)與電解質(zhì)在儲存期間不直接接觸而處于惰性，使用時通過動力源作用于電解質(zhì)使電池激活[1]。目前，國內(nèi)關(guān)于鋰儲備電池的研究主要集中于鋰/亞硫酰氯電池[2]，并以小電流放電應(yīng)用于軍事領(lǐng)域[3]，如通過焊接全密封結(jié)構(gòu)用于延時及侵徹的彈體引信[4]。隨著引信技術(shù)對電池大電流輸出和大容量的需求，鋰/亞硫酰氯儲備電池已不能滿足部分引信的使用要求。

鋰/二氧化錳電池理論上具有較高的輸出功率和容量水平，重負荷下放電安全，即使偶爾短路也不會發(fā)生爆炸、燃燒等現(xiàn)象，環(huán)保無污染，作為引信電源優(yōu)勢明顯[5]；同時，鋰/二氧化錳電池的功率特性更有利于提高鋰儲備電池較大電流條件下的容量水平[6]。目前，鋰/二氧化錳電池多為卷堆式原電池結(jié)構(gòu)和層疊電堆的扣式電池[7]，不適用于引信電源抗高過載沖擊的使用條件，為此本文提出了多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲備電池。

1 鋰/二氧化錳儲備電池

1.1 鋰/二氧化錳儲備電池

鋰/二氧化錳儲備電池中，電解液被封裝于儲液瓶中而與電堆隔離，電池采用全密封焊接結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)電池的長期貯存性能和密封性能。此外，電池的激活機構(gòu)可根據(jù)使用環(huán)境進行相應(yīng)設(shè)計，從而擴大應(yīng)用面。

1.2 傳統(tǒng)層疊電堆結(jié)構(gòu)對電池電性能的影響

電壓和容量是衡量電池電性能的重要指標。電池正負極活性物質(zhì)種類確定了電池的額定電壓，電池容量則直接受正負極活性物質(zhì)的含量影響。

圖1為傳統(tǒng)鋰/二氧化錳電池的電堆結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1(a)所示結(jié)構(gòu)中，電堆僅由較少數(shù)量的電極對并聯(lián)構(gòu)成，減小了電堆內(nèi)電極的并聯(lián)面積；圖1(b)所示電堆中，大量存在正極與正極、負極與負極各自疊堆，使一半的電極不能形成直接經(jīng)隔膜的對電極，降低了電堆的有效電極面積和單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)的含量，同時增加了電極活性物質(zhì)的遷移距離，進而影響部分電極活性物質(zhì)的電化學反應(yīng)參與，造成電堆內(nèi)阻的進一步增大和電極活性物質(zhì)利用率、活性等的進一步降低。這兩種電堆結(jié)構(gòu)在電池電性能上有相同的表現(xiàn)，即限制了電池的輸出功率和容量水平[8]。

圖1 傳統(tǒng)鋰/二氧化錳電池電堆層疊示意圖Fig.1 The pile stack sketch of traditional lithium/manganese dioxide battery

此外，在卷堆式結(jié)構(gòu)的鋰/二氧化錳電池中，盡管電堆結(jié)構(gòu)對電極面積控制靈活且具有較高的電極面積利用率，但是卷堆過程中容易在電極邊緣部位形成微短路，降低了電池電性能。

2 多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲備電池

對于特定電池，其容量等性能指標與電池正負極活性物質(zhì)含量直接相關(guān)，單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)含量則受電堆結(jié)構(gòu)影響。就此而言，增加電池有效電極面積和單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)含量，提高電池電性能，關(guān)鍵在改進電池電堆結(jié)構(gòu)。

2.1 多片并聯(lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)

多片并聯(lián)層疊結(jié)構(gòu)通過引線連續(xù)折繞于電極極耳實現(xiàn)，電極疊堆采用單條隔膜在正負電極間往復平行折疊，正負電極片形狀相同，如圖2所示。電堆正極集流引線由三部分構(gòu)成：引線1、2在水平方向上下重疊并且垂直于引線3。疊堆時，引線2在正極極耳間以“S”形連續(xù)折繞層壓極耳，成為電極導聯(lián)線，最后使引線2水平伸出，引線1和3拉緊包裹極耳柱且末端與引線2重疊，在貼緊極耳處將三條引線用點焊機焊接為一體，形成可靠的電流集流引出。電堆負極集流引線構(gòu)成與正極端相同并呈鏡面對稱，區(qū)別在于引線2以“Σ”形連續(xù)折繞層壓極耳，以消除電極厚度差造成的負極極耳向下移位。隔膜折疊方式與正極端引線2折繞相同，每折疊一次放一個電極，正負電極交替且電極極耳居于電堆兩側(cè)，疊堆完成后用隔膜自體纏繞電堆主體，實現(xiàn)單體電堆的可靠絕緣，形成多片電極一體焊接、電堆兩極極耳各自成柱平行相對的并聯(lián)結(jié)構(gòu)電堆。

圖2 電極片和正極集流引線組成及折繞示意Fig.2 The electrode slice and the anode current collection lead composition and periphrasis sketch

2.2 多片并聯(lián)層疊電堆的作用原理

相較于傳統(tǒng)層疊電堆，多片并聯(lián)層疊電堆的疊堆方式提高了電池單位體積內(nèi)層疊電極的面積，增加了電池單位體積內(nèi)電極活性物質(zhì)的含量，使電池容量得以提高。同時，此層疊方式使每一個電極(正、負電極)的兩個表面分別通過隔膜與另一個電極形成對電極，增加了電極對的面積，提高了電極的有效反應(yīng)面積和電池的輸出電流、電池功率。此外，多片并聯(lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)在保留卷堆結(jié)構(gòu)中電極面積利用率高的特點的同時，可以加壓形成緊裝配電堆，有利于提高電池電壓，疊堆操作易于控制，電堆緊實，有效降低了電堆存在的短路風險。總之，多片并聯(lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)有效地解決了傳統(tǒng)儲備電池層疊電堆存在的電極活性物質(zhì)利用率低和單位電極面積裝入量少的問題，提高了電池的輸出功率和容量水平。

多片并聯(lián)層疊電堆結(jié)構(gòu)的鋰/二氧化錳儲備電池，通過電極導聯(lián)線連續(xù)折繞于電極極耳間形成電堆的多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高了電池單位體積內(nèi)的有效電極面積；通過隔膜在正負電極間往復平行折疊形成電堆，同時隔膜自體纏繞電堆主體，實現(xiàn)電堆的可靠絕緣，進而有效提升電池的輸出功率和容量水平。

3 實驗驗證及結(jié)果分析

3.1 多片并聯(lián)層疊電堆的儲備電池放電測試

多片并聯(lián)層疊電堆的儲備電池樣機性能測試均在常溫下進行，電池通過馬歇特23齒錘擊激活，用8861數(shù)據(jù)采集儀并聯(lián)于負載電阻兩端接入測試線路，記錄電池的工作電壓和激活時間。

鋰/二氧化錳儲備電池由兩個電堆在電池殼內(nèi)串聯(lián)構(gòu)成。測試電池電性能之前，測得電堆放電開路電壓為3.46 V且穩(wěn)定不變化，說明電堆絕緣良好，不存在微短路等問題。圖3所示為電池分別負載8、5、2 Ω電阻的放電曲線。觀察圖3中放電曲線可知，電池具有一定的放電電壓平臺。在8 Ω負載下，電池超過600 mA/5 V(3 W)放電持續(xù)時間為121 s，3 V以上放電時間接近60 min；5 Ω放電時，電池電壓3 V以上即放電電流大于600 mA的放電持續(xù)時間為2 000 s；2 Ω放電時，電池超過1.5 A/3 V放電時間大于200 s。可見，多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)的鋰/二氧化錳儲備電池具有較高的容量水平和低電壓大功率輸出的容量特性。電池較高電壓放電持續(xù)時間遠小于總體容量下的放電持續(xù)時間，從側(cè)面說明電池的容量水平仍有較大的提升空間。此外，從放電曲線可以看出電池激活較快，沒有電壓滯后現(xiàn)象。

圖3 電池放電曲線Fig.3 The battery discharge curves

3.2 多片并聯(lián)層疊電堆的儲備電池激活測試

多片并聯(lián)層疊電堆的儲備電池樣機通過馬歇特23齒錘擊激活，電池激活時間取工作電壓升至3.0 V所用時間。圖4所示為電池激活曲線，從圖4中可以看出，儲備電池樣機的馬歇特23齒錘擊激活時間為39 ms，大大縮短了鋰儲備電池的激活時間。激活過程中電池電壓存在時間寬度約10 ms的波動，隨后迅速上升，電池正常激活并呈現(xiàn)平穩(wěn)的工作電壓平臺；電壓波動時間遠小于引信要求的電池激活時間，電池激活進入工作狀態(tài)后對引信供電，不會影響引信的正常工作。儲備電池在激活過程中存在的電壓波動，原因可能是錘擊沖擊造成的電解液與電堆的暫時分離。為了降低電池的激活時間，可以進一步優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，以減弱電池激活過程中存在的電壓波動，提高電池激活性能。

圖4 電池激活曲線Fig.4 The battery activation curve

3.3 電池受沖擊下的放電和噪聲測試

引信電源作為引信的一個重要零部件，必然會在工作狀態(tài)下隨引信受到各種過載沖擊，測試電池受過載沖擊下的放電和電壓噪聲就顯得尤為必要。圖5所示為多片并聯(lián)層疊電堆的儲備電池樣機在工作狀態(tài)下受馬歇特錘擊沖擊的放電曲線，圖6為相對應(yīng)的電壓噪聲曲線。試驗電池由馬歇特23齒錘擊激活并負載100 Ω電阻放電，間隔一定時間后再次受馬歇特23齒錘擊。觀察兩圖中曲線可知，電池激活后電壓快速上升并維持穩(wěn)定的工作電壓平臺，激活瞬間電池電壓噪聲為0.1 V，之后迅速降為0；第二次過載沖擊下，電池電壓有小幅下降但依然呈現(xiàn)穩(wěn)定的電壓平臺，隨后逐漸上升，電壓噪聲曲線仍然只在過載沖擊瞬間顯示0.1 V的極窄峰。可見，多片并聯(lián)層疊電堆的儲備電池電壓噪聲對馬歇特錘擊產(chǎn)生的過載沖擊具有良好的一致性，可以承受馬歇特錘擊微秒級時間寬度內(nèi)的峰值過載沖擊。

圖5 電池受沖擊放電曲線Fig.5 The discharge curve of battery shocked by Machete hammering

圖6 電池受沖擊噪聲曲線Fig.6 The noise curve of battery striked by Machete hammering

實驗結(jié)果表明，多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲備電池對電堆內(nèi)電極對數(shù)量的控制更為靈活，有利于電池輸出功率和容量水平的提高。儲備電池樣機以1.5 A/3 V的大電流放電時間超過200 s，較鋰/亞硫酰氯儲備電池有更大的放電電流；電池樣機以600 mA/5 V(3 W)的輸出功率可以連續(xù)工作121 s，具有較高的容量水平和低電壓大功率輸出的容量特性；同時，電池激活快且沒有電壓滯后現(xiàn)象，在工作狀態(tài)下可以承受馬歇特23齒錘擊的過載沖擊，工作電壓平穩(wěn)，適用于引信對電池大電流輸出和大容量的使用要求。

4 結(jié)論

本文提出的多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲備電池，通過引線連續(xù)層壓折繞于電極極耳間實現(xiàn)多片并聯(lián)結(jié)構(gòu)，同時采用單條隔膜在正負電極片間往復平行折疊完成疊堆，實現(xiàn)電堆的可靠集流與絕緣。試驗結(jié)果表明：多片并聯(lián)層疊電堆的鋰/二氧化錳儲備電池超過600 mA/5 V(3W)連續(xù)放電的工作時間可以達到121 s，具有較高的容量水平和低電壓大功率輸出的容量特性；電池馬歇特23齒錘擊工作電壓上升至3 V的激活時間為39 ms，大大縮短了鋰儲備電池的激活時間；在工作狀態(tài)下可以承受馬歇特錘擊的過載沖擊，電壓噪聲低，適用引信對電池大電流輸出和大容量的使用要求。實驗也發(fā)現(xiàn)在連續(xù)錘擊過程中，電池存在電壓下降的現(xiàn)象，可以在保證電極導聯(lián)線與電極極耳等可靠連接和電池結(jié)構(gòu)改進方面做進一步的深入研究。