水中兵器鋰離子動(dòng)力電池安全性問題的幾點(diǎn)思考

胡 光

（海軍裝備部，山西 太原 030027）

0 引 言

鋰被譽(yù)為“能源金屬”，鋰電池是目前綜合性能最好的電池體系。鋰離子動(dòng)力電池是20世紀(jì)開發(fā)成功的新型高能電池，具有比能量高、重量輕、體積小、壽命長、無記憶效應(yīng)、綠色環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)力電源領(lǐng)域得到迅速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)碼產(chǎn)品、家用電器、電動(dòng)汽車、航空航天和武器裝備等。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，鋰動(dòng)力電池性能不斷提高，鋰電池單體容量越來越大，水中兵器采用鋰動(dòng)力電池動(dòng)力電池不僅擁有良好的低噪聲性能，便于躲避對方聲納等探測設(shè)備，而且二次鋰電池能多次重復(fù)使用，便于部隊(duì)訓(xùn)練，節(jié)約使用成本，具有很高的經(jīng)濟(jì)性。世界上許多國家都已在水中兵器和小型潛艇等裝置上試用鋰離子動(dòng)力電池。鋰動(dòng)力電池為未來水中兵器的發(fā)展提供了很好的選擇，但是其安全性成為其在水中兵器領(lǐng)域應(yīng)用過程中的一大瓶頸。

1 國內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池現(xiàn)狀

法國SAFT公司是世界著名的鋰電池生產(chǎn)公司，其各種型號鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、UUV（無人水下航行器）以及各類便攜式電子設(shè)備上。目前該公司生產(chǎn)的圓柱型單體鋰離子電池比能量達(dá)到143 W·h/kg，80%DOD的比功率為345 W/kg，為裝備潛艇而制造的鋰離子動(dòng)力電池，單體容量為3 000 Ah級。

美國YARDNEY公司已為水下軍事裝備研制了三款鋰離子動(dòng)力電池，包括：1）水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)（UUV）電池系統(tǒng)，總能量10 kW·h，360塊單體容量8 Ah，電壓324 V。2）全電動(dòng)魚雷高功率鋰離子電池系統(tǒng)，由100塊單體容量25 Ah的鋰動(dòng)力電池組成電池組，最大功率密度650 W/kg。3）袖珍潛艇裝置（AS?DS-1）的高能量鋰離子電池系統(tǒng)，2005年首次安裝于ASDS-1艇，鋰離子電池總能量1.2 MW·h，單體電池能量密度170～200 W·h/kg。

我國鋰離子動(dòng)力電池研制始于20世紀(jì)，隨著我國大規(guī)模資金的投入，以及“863”電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)的實(shí)施，鋰離子電池有了較大發(fā)展，生產(chǎn)的鋰離子電池性能與國外產(chǎn)品相當(dāng)。目前我國鋰離子動(dòng)力電池主要包括電動(dòng)自行車電池、特種車用電池和電動(dòng)汽車用電池等，各種鋰離子動(dòng)力電池均處于產(chǎn)業(yè)化起步階段，國內(nèi)單體容量已突破500 Ah，并通過了國家電動(dòng)汽車安全性測試項(xiàng)目，性能良好。比亞迪公司2008年12月份推出的F3DM雙模式純電動(dòng)車其搭載的鋰電池，輸出功率為125 kW，鋰電池續(xù)駛里程達(dá)100 km以上[1]。

2 鋰離子動(dòng)力電池的安全性分析

1）正極材料不同，安全性不同。民用產(chǎn)品中，目前的正極有鈷酸鋰和錳酸鋰兩種量產(chǎn)的材料產(chǎn)品。鈷酸鋰比能量高，但氧化性強(qiáng)，在175°時(shí)就會(huì)分解，殼體泄漏，與空氣接觸，發(fā)生燃燒、爆炸。錳酸鋰材料，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，氧化性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈷酸鋰，分解溫度超過鈷酸鋰100℃，即使由于外力發(fā)生內(nèi)部短路（針刺），外部短路，過充電時(shí)，也完全能夠避免由于析出金屬鋰引發(fā)燃燒、爆炸的危險(xiǎn)[2]。

2）隔膜的設(shè)計(jì)與選取，對安全性有較大影響。隔膜作用是隔離電芯正、負(fù)極片，以防止卷芯內(nèi)部正、負(fù)極片直接接觸造成短路，從微觀角度看，隔膜表面為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。區(qū)分隔膜通常按厚度、寬度進(jìn)行劃分，鋁殼鋰離子電池使用的隔膜厚度通常為16 um、18 um、20 um等，動(dòng)力電池使用的隔膜厚度以30 um以上為主流。當(dāng)電池內(nèi)部溫度達(dá)到130℃（鋰離子電池國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18287—2000）以上時(shí)，隔膜的網(wǎng)狀孔將閉合，以達(dá)到阻止電芯內(nèi)部溫度繼續(xù)升高的作用，從而保護(hù)電芯產(chǎn)生爆炸的危險(xiǎn)，隔膜在電池內(nèi)部溫度過高時(shí)還能融化，以防止電池爆炸。

3）電路保護(hù)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。保護(hù)電路起到防止過充電、過放電、超大電流的作用，通過限制電池的放電電壓延長電池壽命。主要原理是通過測量每一只電芯的電壓和總電流，控制開關(guān)電路進(jìn)行整個(gè)回路的關(guān)斷。保護(hù)電路是基于電阻、電容，開關(guān)MOS管等電子元器件組成的PCB電路，各個(gè)元器件都存在失效的可能性，導(dǎo)致電池保護(hù)失效影響電池的安全性，因此，保護(hù)電路的設(shè)計(jì)是否合理，可靠性是否足夠高，極大地關(guān)系到電池安全性。

4）電池使用環(huán)境及方法對安全性影響很大。一般鋰離子電池工作溫度范圍為-25~45°C，應(yīng)避免在嚴(yán)酷條件下使用（高溫、高濕度、夏日陽光下長時(shí)間暴曬等），避免將電池投入火中；避免激烈碰撞，外部的激烈碰撞也會(huì)增加其安全風(fēng)險(xiǎn)。

3 水中兵器領(lǐng)域應(yīng)用鋰離子電池需考慮的安全性問題

由于水中兵器作戰(zhàn)環(huán)境的特殊性，以及日后部隊(duì)在使用、訓(xùn)練、存放過程中的特殊要求，決定了鋰離子動(dòng)力電池在選型時(shí)必須考慮以下幾個(gè)問題。

1）選擇安全的正極、電解液等原材料。應(yīng)盡量避免安全性差的正極材料。例如：避免選取鈷酸鋰，而選取錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰等比能量雖然較低，但安全性較高的材料。錳酸鋰和磷酸亞鐵鋰比較適用于中等容量的動(dòng)力電池，這已經(jīng)是國際上一個(gè)比較認(rèn)可的技術(shù)選擇，在容量、安全性、循環(huán)壽命等多方面都已經(jīng)完全能適應(yīng)普通動(dòng)力設(shè)備的要求。但是動(dòng)力鋰離子電池電解液溶劑體系仍然存在著易燃易爆的缺點(diǎn)，雖然通過多種方式安全性已大大提高，但其本身的可燃性仍然存在，因此，有針對性研究一些阻燃添加劑或使用離子液體，才能從根本上解決電池易燃易爆的問題。

2）選擇熱關(guān)閉性能好的隔膜。隔膜熱關(guān)閉性能好壞直接影響電池的安全性能，選擇合適的厚度、形狀及材料，并在隔膜中加入能夠在高溫下自動(dòng)封住孔的有機(jī)添加劑，以使溫度升高時(shí)，在隔膜及時(shí)關(guān)閉，從而使內(nèi)阻上升，讓內(nèi)部反應(yīng)停止下來，保證電池的安全性。

3）設(shè)計(jì)安裝防爆閥。防爆閥是電池的重要防護(hù)設(shè)施，當(dāng)電池內(nèi)部壓力或溫度達(dá)到預(yù)置的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，防爆閥打開，進(jìn)行卸壓，以防止內(nèi)部氣體積累過多，發(fā)生形變，導(dǎo)致電池殼體爆裂。

4）要有良好的保護(hù)電路。通常保護(hù)電路設(shè)計(jì)是否合理，可靠性是否足夠高，是電池安全性重要體現(xiàn)。失效的保護(hù)電路會(huì)出現(xiàn)開路或?qū)▋煞N狀態(tài)，當(dāng)開路時(shí)會(huì)導(dǎo)致用戶不能使用電池組，而導(dǎo)通的狀態(tài)將會(huì)考驗(yàn)電芯抗過充的能力，因此，除了合理的設(shè)計(jì)外，一定要按照水中兵器電子電路使用要求，做好元器件篩選、環(huán)境試驗(yàn)、失效分析等各類試驗(yàn)并嚴(yán)格測試。

5）重視特殊使用環(huán)境下的安全性研究。安全是武器裝備使用的基本要求，應(yīng)該不惜犧牲重量比能來換取鋰電池安全性；同時(shí)，為滿足水中兵器特殊的水下環(huán)境及存儲(chǔ)要求，鋰離子動(dòng)力電池安全性測試試驗(yàn)應(yīng)考慮水下環(huán)境要求。

6）注重生產(chǎn)、使用和存儲(chǔ)安全。嚴(yán)格按照國標(biāo)、國軍標(biāo)做好電池過充試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、針刺試驗(yàn)以及熱沖擊等各項(xiàng)安全試驗(yàn)；并避免在裝配、存儲(chǔ)、運(yùn)輸、使用過程中由于人為操作不當(dāng)或在超過設(shè)計(jì)要求的嚴(yán)酷條件下使用造成的安全傷害。

4 結(jié)束語

對于依靠電池提供動(dòng)力的水中兵器來說，其核心技術(shù)在于電池，鋰離子動(dòng)力電池是當(dāng)今動(dòng)力電池行業(yè)研究的熱點(diǎn)，是未來最有可能取代現(xiàn)有水中兵器傳統(tǒng)動(dòng)力電池的理想電源。隨著鋰離子動(dòng)力電池使用經(jīng)驗(yàn)的逐漸積累與生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷成熟，可以預(yù)見，鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于水中兵器是必然趨勢。我國的鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展水平與國外基本相當(dāng)，只有加快研制步伐，滿足水中兵器使用安全性高、環(huán)境溫差范圍廣、充放電功能性強(qiáng)、倍率放電使用性好等條件的鋰離子動(dòng)力電池，才能使其在水中兵器領(lǐng)域得到廣闊的應(yīng)用。

[1] 陳新傳,宋強(qiáng),呂昊.國內(nèi)外鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展概況及啟示[J].船電技術(shù),2011(4):2-3.

[2] 吳凱,張耀,曾毓群，等.鋰離子電池安全性能研究[J].化學(xué)進(jìn)展,2011(3):405-407.