熱電池的安全性設計探討

摘 要：隨著熱電池在武器系統(tǒng)應用領域的不斷擴展，熱電池作為武器系統(tǒng)重要的能源，熱電池的性能不斷提升，更長壽命、更大電流成為熱電池的發(fā)展方向。這些性能提升也對其使用安全性提出了更高的要求，本文從設計角度分析了影響熱電池安全性的因素，并就安全性設計進行了探討，為今后熱電池的安全性設計提供參考。

關鍵詞：熱電池；安全性；安全性設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.197

熱電池是一種一次性熱激活儲備電源，具有可靠性高、貯存時間長，激活快，工作溫度范圍寬，使用簡便和無需維護等優(yōu)點。熱電池在通常情況下不導電，當外界給予能量激活后，開始工作輸出電能，熱電池內(nèi)部溫度迅速升到500℃左右。激活后如果產(chǎn)生故障，如發(fā)生短路、熱失控，熱電池內(nèi)部化學反應失控，內(nèi)部溫度迅速至七、八百度以上，嚴重可能導致電池殼熔穿并向外高溫熔融物，對武器的性能和安全性產(chǎn)生重大影響，對人員及武器設備造成一定的傷害[1-2]。目前對于熱電池的安全性設計方面還沒有可依據(jù)的標準，只能依靠設計-驗證-設計更改及環(huán)境試驗考核來保證，國內(nèi)幾家熱電池研制單位也沒有對安全性設計達成統(tǒng)一的認識[3-4]。本論文以熱電池設計為根據(jù)，就影響熱電池安全性的幾個因素進行了分析，進一步對熱電池安全性設計進行了詳細的探討，為今后熱電池的設計提供參考。

1 影響熱電池安全性的主要因素

1.1 電化學體系

常用的電化學體系有二元LiCl-KCl、三元低熔點LiCl-LiBr-KBr和三元全鋰LiF-LiCl-LiBr。熱電池最大理論工作溫區(qū)為313～436℃，低熔點電解質(zhì)能在較長時間內(nèi)保持熔融狀態(tài)，從而延長熱電池的工作時間。如果電解質(zhì)體系選擇不當，加之熱電池的設計熱量過高，熔融的電解質(zhì)從單體電池滲出，在單體電池間可形成短路，造成熱電池電壓輸出不正常可能引起電池故障。因此，熱電池電化學體系選擇不當也可能造成熱電池安全性問題，電化學體系的選擇應與熱電池使用要求遵循相互匹配原則，提高活性物質(zhì)利用率，最大程度提高熱電池性能和保證其安全性。

1.2 殼蓋體的結構

熱電池的殼體和蓋體通常由具有一定機械強度、耐復雜力學環(huán)境的不銹鋼材料加工。蓋體是由鐵鈷鎳合金絲和玻璃粉燒結而成，總裝后通過氬弧焊將殼蓋體焊接在一起成全密封結構。殼體厚度不均勻、機械損傷、機械強度差、不耐高溫高壓、玻璃體密封不嚴等瑕疵都可能成為安全性隱患。因此，殼體壁厚應均勻、無嚴重機械劃痕，蓋體玻璃體應密封性高、耐高溫高壓和復雜力學環(huán)境，接線柱與蓋板保證絕緣，殼蓋體焊接密封牢固、均勻、無沙眼和耐受壓力?？傊?，殼蓋體對熱電池的影響主要由制造工藝技術來保證。

1.3 單體電池及電堆的結構

單體電池的結構主要有三合一結構和四合一結構，三合一結構主要由鎳網(wǎng)、阻流環(huán)、正極粉、電解質(zhì)粉和負極粉組成。四合一結構主要由阻流環(huán)、正極粉、鐵加熱粉、電解質(zhì)粉和負極粉一次壓制組成。四合一單體電池結構因其具有內(nèi)阻小，制造工藝簡單，可檢測性好成為熱電池單體電池首選結構。單體電池在裝配之前必須經(jīng)過檢驗其絕緣電阻、外觀合格方可使用。

對于長壽命、大功率熱電池，主要為外裝式電堆結構。熱電池電堆主要由集流體、加熱片和單體電池等組成，設計過程中需考慮輸出電路和內(nèi)部電路設計、絕緣設計及保溫設計。影響熱電池安全性的主要有電路設計不合理、單體電池極性裝反、漏裝集流片和裝配錯誤等，單體電池絕緣電阻不合格、熱量過高都有可能引起熱電池故障，導致輸出電壓不正?；騼?nèi)部短路等，這些因素都極有可能引起熱電池安全性故障。

1.4 熱量設計

熱電池加熱系統(tǒng)的合理設計（熱量設計）是熱電池正常工作的前提，熱量設計決定了電池內(nèi)部初始的溫度和電池的熱容量，關系到電池的熱安全性和熱壽命，不同類型的熱電池需要不同的熱設計方法。保證熱電池電性能的基礎下，熱量分布性和熱量設計的合理性直接關系到熱電池的安全系數(shù)。熱量分布設計不僅對熱電池激活時間、峰值電壓與電性能等技術指標產(chǎn)生一定的影響，而且將影響到熱電池的安全性[5-6]。體系中熱量設計過高，可能引起熱電池熱失控，化學物質(zhì)反應迅速，導致熱電池出現(xiàn)安全性問題。熱量設計偏低，可能影響熱電池的性能不達標。因此，如何合理的進行熱量設計，成為許多科研技術工作者共同探索的一個課題。

2 熱電池的安全性設計探討

安全性設計決定了產(chǎn)品的固有安全性，通過生產(chǎn)管理和質(zhì)量控制措施，實施設計方案，才能生產(chǎn)出滿足安全性性指標的產(chǎn)品。下面重點介紹熱電池在設計過程中需注意的幾個方面。

2.1 優(yōu)選電化學體系

根據(jù)技術指標的要求，由電壓、電流、激活時間、工作時間和尺寸選擇熱電池適宜的電化學體系。電化學體系必須和熱電池的電性能特點相互匹配，提高材料利用率，最大程度的發(fā)揮電極材料的性能。常見的幾種電化學體系使用條件如下：

（1）二元氯化鋰-氯化鉀體系適用條件為：適合于高溫小電流放電，峰值電壓高，放電時間長。不適合于大電流長時間放電，大電流放電時，陰極容易生成J相，導致電極極化嚴重，影響正極的利用率；

（2）三元低熔點氯化鋰-溴化鋰-溴化鉀體系適用條件為：電導率低，峰值電壓低，放電容量大，放電中Li+/K+變化小，低溫性能好，適合于長時間大電流放電，適合長壽命熱電池體系；

（3）三元全鋰氯化鋰-溴化鋰-氟化鋰體系適用條件為：熔點較高，放電容量高，適合于大電流大功率放電要求，放電環(huán)境要求苛刻，不宜用于長壽命熱電池。

2.2 殼蓋體的結構

2.2.1 熱電池殼體

熱電池的殼體通常用不銹鋼鋼車制或不銹鋼板沖制而成，在設計時必須考慮材料的耐物理機械強度，熱電池殼體厚度，光滑度等影響殼體機械強度等。熱電池殼體的厚度一般在1mm左右，用不銹鋼無縫鋼材料加工，必須對殼體的外觀、工藝尺寸檢驗合格后使用。

2.2.2 熱電池蓋體

熱電池用蓋體一般選用不銹鋼冷軋板材料加工，蓋板的厚度通常在3mm左右，蓋體是由鐵鈷鎳合金絲和玻璃粉燒結而成，必須對玻璃體燒結后的外觀、有無沙眼、氣泡和密封性進行檢測合格后方可使用。

2.3 單元電池

2.3.1 單體電池

單體電池在設計時必須考慮其配方的合理性、成型壓力和電極材料。制造過程中通常需要檢測單體電池的外觀、絕緣電阻大于20，檢測合格的單體電池才能裝配熱電池。

2.3.2 電堆結構及裝配

電堆結構必須符合電路安全基本原理，要對內(nèi)部電路設計和外部電路輸出設計的合理性進行檢查確認。在裝配時電堆串聯(lián)單體電池的極性保持一致，避免少裝集流元件。同時電堆的絕緣電阻應符合要求，靜電壓在正常范圍內(nèi)。上下保溫設置合理，避免溫度過熱導致單體電池中電解質(zhì)滲出引起電堆短路。

2.4 熱量設計

2.4.1 熱量分布性設計

熱電池主要靠其內(nèi)部的加熱系統(tǒng)提供熱源，為了達到設計要求，通常調(diào)整加熱片在電池堆中的徑向分布，使每個單體電池工作溫度都盡量接近在一定的范圍之內(nèi)。在熱電池設計中主要采取以下方法：

（1）加熱片重量沿電堆縱向呈梯次分布，即沿縱向由中間向兩端加熱片的重量逐漸增大，通過加熱片自身的熱量提高熱電池電堆兩側(cè)的溫度，確保單體電池的工作溫度盡量接近；

（2）在電堆兩側(cè)加入熔鹽緩沖材料，通過在熱電池激活初期緩沖材料熔化吸收熱量，隨工作溫度的逐漸降低，緩沖材料開始凝固放熱保持電堆兩側(cè)的工作溫度。同時為了避免熱沖擊，還要對其采取緩沖措施，確保在規(guī)定的工作時間內(nèi)，整個電堆處于正常工作溫度范圍。

2.4.2 熱量設計

熱電池熱容量設計的原則就是熱體系放出的熱量必須保證電池的內(nèi)部溫度在熱電池工作溫度范圍內(nèi)，熱容量設計和電容量設計必須匹配。

一般短壽命熱電池熱容量設計相對較小，熱電池設計時主要考慮熱電池的電容量，在電容量設計滿足的前提下，進行匹配的熱容量設計；中長壽命熱電池熱容量設計較大，熱電池設計時主要考慮電池的熱容量，在熱容量設計滿足的前提下，進行匹配的電容量設計，需要犧牲熱電池的電容量換取大的熱容量。在實際設計中，熱量的設計常常以熱比系數(shù)來衡量，較高的熱比系數(shù)可能導致熱電池內(nèi)部熱失控，較低的熱比系數(shù)會影響熱電池性能，熱電池的熱量設計必須在熱電池安全熱比系數(shù)范圍內(nèi)。不同電化學體系的安全熱比值范圍有較大的差異，對于熱比系數(shù)的確定可通過不同的高低溫環(huán)境試驗考核來確定。通常熱電池熱設計的合理性考核方法是：電池低溫全負載試驗和高溫空載試驗[7]。

2.4.3 保溫設計

電堆周圍的保溫設計主要是確保在指標規(guī)定的工作時間內(nèi)，整個電堆處于正常工作溫度范圍。根據(jù)電池工作時間的長短，選擇適當?shù)谋夭牧虾捅貙雍穸?。同時在保溫設計要考慮適當散熱問題，使熱電池盡可能長地維持在穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)，避免局部溫度過高引起熱電池熱失控。目前，應制造成本等原因，國內(nèi)保溫材料使用最多的為石棉紙材料。

參考文獻：

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[7]李立.熱電池的熱設計[J].第三屆全國信息與電子工程學術會議、四川省電子學會曙光分會第十四屆學術年會暨院青年科協(xié)第八屆學術年會論文集，197-201.

作者簡介：樊龍龍（1984-），男，碩士，工程師，研究方向：火工品質(zhì)量監(jiān)督。