鋅銀電池典型故障分析及性能優化

齊海濱，楊 磊

(國家深海基地管理中心，山東 青島 266237)

目前，載人潛水器均自帶電源，如鉛酸電池、鋅銀電池和鋰電池等[1]，作為水下作業的動力來源。大容量鋅銀電池具有比能量高、放電電壓平穩、安全可靠等特點，在深海載人潛水器中應用廣泛[2]。電池系統是載人潛水器的核心系統之一，需要為潛水器提供所有的動力及控制電源，滿足水下運動、機械手采樣及照明等常規動力電供給，并為水聲通訊、控制和艙內人員生命支持等設備供電，同時，需要預留充足的儲備電量，以應對各種應急突發情況。

“蛟龍號”載人潛水器在5年的試驗性應用階段，一直使用鋅銀電池作為能源系統，使用期間發生過較為典型的故障現象。本文作者針對其中一次典型故障進行深入分析，結合日常使用、維護保障等方面，對深海鋅銀電池的使用提出注意事項及優化改進措施，以期對鋅銀電池在深海裝備上的設計與使用起到一定的參考作用。

1 載人潛水器鋅銀電池組成

“蛟龍號”載人潛水器的銀鋅電池組由主電池、副電池及備用電池組成。主電池由71只容量為800 Ah的單體電池組成，為潛水器推力器、液壓源等動力設備提供110 V直流電源；副電池組由16只容量為1 100 Ah的單體電池組成，為潛水器所有儀器儀表及通訊設備提供24 V直流電源；備用電池組由16只容量為230 Ah的單體電池組成，可以在副電池出現故障時，為關鍵設備提供24 V直流電源。在潛水器艙內還設置有一組容量為50 Ah的應急鉛酸電池組，在應急狀態下，為諸如水聲通訊設備、生命支持系統設備、水面無線電通訊設備和艙內照明燈等應急設備供電[3]。

在載人潛水器水下作業運行期間，鋅銀電池組通過補償油膜的形式，將深海的高壓傳遞至每一只單體電池的極板上，通過電池組內的絕緣油，實現與海水的有效隔離，達到絕緣的目的[4]。載人潛水器水下多系統多設備同時使用時，最大放電電流可超過200 A(見圖1)，整個作業過程的能源消耗多集中在潛水器近底作業期間。

圖1 水下作業電流曲線

2 載人潛水器鋅銀電池故障

2.1 故障現象

蛟龍號在執行某次下潛任務時，計劃下潛6 500 m，重點開展大深度全流程功能測試及科學應用任務。潛水器通電檢查期間，對鋅銀電池組進行重點檢查，使用充放電機對所有單體電池的開路電壓進行檢測，發現基本穩定在1.85 V；使用潛水器絕緣檢測系統對所有電池組進行絕緣檢測，數值正常。潛水器布放入水并進行水面檢查時，鋅銀電池組狀態及絕緣值正常，隨后，潛水器按照計劃注水下潛。

潛水器在下潛期間，主要使用副電池組提供的控制用電，開展相關動力設備功能測試驗證工作，主電池組一直處于待用狀態。潛水器下潛至3 000 m時，艙內接地檢測儀出現主電池組相關回路接地值大于2 mA報警故障(見圖2)，且數值較大，艙內人員隨后按照操作流程，關閉主電池組相關供電設備，但故障現象無明顯改善；切斷主電池組供電開關，接地故障依舊存在；切斷主電池組相關傳感器供電回路，故障無改善；在艙內人員計劃采取應急操作時，艙內接地故障無預兆地改善，并具備潛水器繼續作業的最低條件。經潛航員對主電池組電壓、電流等參數進行綜合判斷后，繼續維持設備使用，并重點關注絕緣檢測及主電池組的運行參數。

圖2 主電池絕緣電流隨深度的變化

潛水器完成作業回收后，針對出現的故障進行重點排查。首先，確定絕緣故障點，檢查主電池組相關配電回路，基本確定主電池箱內存在絕緣故障；其次，重點檢查主電池箱，打開主電池箱頂部放氣閥，發現有大量氣體溢出，伴隨刺鼻氣味；最后，打開主電池底部放油閥，發現補償油中含有大量黑色顆粒物，且存在刺鼻氣味。綜合以上因素，基本判斷為主電池箱內部存在絕緣故障，且發生電解液泄漏。

拆卸主電池箱，打開補償油膜，查看主電池箱內部單體電池情況，發現其中1只單體電池燒熔(見圖3)，并因高溫與周邊2只單體電池熔化為一體，不能分離，電池組頂部及底部存在泄漏的電解液，直接導致主電池組的絕緣問題[5]。

圖3 燒熔的鋅銀電池

2.2 故障分析

經對主電池組故障現象的查看，基本可以判斷：因1只單體電池局部過熱導致燒熔，破壞單體電池外壁，引起內部電解液泄漏，最終導致主電池絕緣故障。

隨著使用時間的延長，鋅銀電池的容量逐漸降低，不同的鋅銀電池也會因工藝、環境等諸多因素的影響，在使用后期出現容量偏差。持續充電使用，會導致該偏差不斷累積。在使用后期，部分電池容量降低，容量消耗完后繼續放電時，通過消耗電解液，實現電流的持續導通，但當電解液消耗至極板以下時，電池內部極化嚴重，此時的極板組相當于一個阻值不斷增大的發熱電阻。由焦耳定律[式(1)]可知，持續大電流通過時，電池內部急劇發熱，會形成局部高溫。高溫會熔穿電池隔膜、殼壁，同時將絕緣油碳化，并伴隨部分堿液泄漏，造成絕緣油發黑和絕緣電阻下降[6]。

Q=I2·R·t

(1)

式(1)中：Q為熱量；I為電流；R為電阻；t為時間。

導致單體電池容量降低的原因主要有：①該故障單體電池已處于濕態壽命后期，在正常充電之后，因微短路自放電較大，導致容量下降較多。鋅銀電池使用的隔膜，應在-15～35 ℃具有抗高濃度強堿、在強氧化劑作用下保持穩定，能阻止鋅枝晶向正極生長以及膠體銀移動到負極等性能。目前，鋅銀電池采用的水化纖維素膜，雖能在一定程度上滿足上述要求，但隨著時間的延長和循環次數的增加，自正極開始逐層被氧化，同時鋅枝晶繼續增長，導致內部出現微短路，并持續消耗電池容量。②單體電池在潛水器傾斜或搖擺時，由于電解液面較低，上部極板及隔膜被絕緣油污染，進一步影響電池的容量。

綜上所述，鋅銀電池容量降低后，繼續大電流放電，引起電池發熱而燒熔，并導致絕緣問題，是此次故障的主要原因。

2.3 故障影響

此次故障是一次較為典型的載人潛水器鋅銀電池問題，也是鋅銀電池使用壽命后期出現概率較大的現象，應在深海裝備應用中引起高度重視。此次故障在緊急處理后尚能保障裝備使用，但也需考慮可能引起的其他影響。

單體電池問題多，不是偶發現象，反映了整體電池組的技術性能有欠缺。單體電池出現的問題，會嚴重影響深海裝備的水下供電絕緣，導致其他電池組出現大電流放電、容量快速降低等問題，影響裝備能源儲備，降低水下能源安全冗余；單體電池問題引發的整體電池組故障，會影響潛水器相關聯供電設備，導致運行異常，使深海裝備在水下的部分功能缺失；單體電池引起的絕緣問題，會導致在海水環境中形成電化學反應，加速潛水器部分金屬部件的腐蝕，影響結構安全和水下密封等。

3 載人潛水器鋅銀電池故障改進措施

針對此類鋅銀單體電池故障，應從設計、使用、維護等多方面進行提升改進，提高使用效率，降低故障發生率。

3.1 優化改進整體設計

采用大深度鋅銀耐壓電池工藝，優化電池外形及透氣帽形式，可減少電解液量非正常降低；采用正極輔助隔膜、負極活性電沉積鋅粉等工藝，增強隔膜的抗銀遷移和抑制鋅枝晶生長能力。通過優化設計，可提高鋅銀電池的整體性能。

3.2 優化制作工藝流程

優化鋅銀電池的制作工藝流程(見圖4)，提升成品的質量水平，可降低微短路發生的概率。對制作工藝進行全面梳理，嚴格執行極板壓制、燒結后浮粉檢查制度，加強對浮粉顆粒的控制，杜絕有浮粉的極板下轉使用，重點關注工藝中的質量控制[7]。

圖4 鋅銀電池生產流程

3.3 加強日常管理與維護

在嚴格按照鋅銀電池維護與保養的規定說明執行外，需要加強日常管理與維護，包括：定期進行電解液量檢查、電壓檢查，及時補充電解液；鋅銀電池在載人潛水器上的使用經驗表明，多只串聯組合的電池組，在電池箱內不同位置，電池的環境溫度差異較大，電池組中心處和外圍的單體電池，環境溫差可達15～20 ℃。為減少高溫對電池性能的影響，可在電池組使用一段時間后，調換單體電池的位置，以均衡單體電池之間的性能；長時間充電作業后，可對電池組進行全放電操作，以均衡單體電池之間的容量偏差；鋅銀電池使用壽命中期，需進行中期維護，著重檢查電解液的情況，確保液位高于極板位置，保障電池容量；電池組使用過程中，需定期對充滿電的電池進行荷電擱置檢查，確保荷電擱置24 h后，單體電池開路電壓滿足規定值。

4 結論

鋅銀電池作為一種穩定的能源供給方式，是載人潛水器等深海裝備的重要系統組成之一。在深海中的應用，因高壓、溫度、絕緣等因素的影響，與陸上應用存在很大的不同。

加強對鋅銀電池在深海應用中的研究，尤其是對典型故障情況的研究，有助于更好地認識鋅銀電池在深海應用中面臨的挑戰，總結探索出高效使用鋅銀電池的方法和技巧，為鋅銀電池在其他深海裝備上的使用提供幫助和參考。