反坦克導(dǎo)彈用熱電池研究進(jìn)展

謝婷婷，劉海瑞，王曉峰，李科連

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

反坦克導(dǎo)彈作為擊毀坦克和其他裝甲目標(biāo)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈[1]，在國家安全領(lǐng)域具有重要地位。與其它反坦克武器相比，反坦克導(dǎo)彈具有命中精度高、威力大、射程遠(yuǎn)、輕便性好等優(yōu)點(diǎn)[2]；與其他戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、使用方便等特點(diǎn)。

電源系統(tǒng)[3]對(duì)于各型導(dǎo)彈的功能實(shí)現(xiàn)具有重要的意義。20世紀(jì)60年代，我國開始了對(duì)第一代熱電池的研究，采用杯式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)體系，電池放電功率小、工作時(shí)間短，主要應(yīng)用于空空導(dǎo)彈和反坦克導(dǎo)彈[4]。到20 世紀(jì)60 年代中期，開始采用先進(jìn)的片型結(jié)構(gòu)，電池結(jié)構(gòu)更為緊湊、簡單、合理，電池電化學(xué)體系為Ca/CaCrO4。美國的“尾刺”導(dǎo)彈使用的就是該體系熱電池，比能量為12 Wh/kg，是20 世紀(jì)70 年代性能最好的熱電池。20 世紀(jì)70年代中期，美國桑迪亞實(shí)驗(yàn)室開始對(duì)LiMx/FeS2(LiMx代表鋰合金)熱電池進(jìn)行研究，電池技術(shù)指標(biāo)得到了很大提升，鋰系熱電池進(jìn)入全面發(fā)展時(shí)期。隨著電化學(xué)體系的不斷發(fā)展，國外對(duì)于負(fù)極材料開展了從LiSi 合金到鋰鐵合金(LAN)的應(yīng)用，國內(nèi)開始了自己的研制路線，從LiSi 合金向LiB 合金發(fā)展。期間，正極CoS2也進(jìn)入了研究者的視野，電池的激活時(shí)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(shù)的發(fā)展，不少國家加緊了對(duì)新一代主站坦克和反坦克武器的研制[5]。為攻擊新型主戰(zhàn)坦克，美、俄、西歐各國和地區(qū)重點(diǎn)發(fā)展新一代中程反坦克導(dǎo)彈[6]。圖1 為以色列的拉斐爾公司設(shè)計(jì)的“長釘”(吉爾)中程反坦克便攜導(dǎo)彈。隨著反坦克導(dǎo)彈技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)其供電系統(tǒng)的要求也越來越高。

圖1 “長釘”(吉爾)中程反坦克便攜導(dǎo)彈

本文針對(duì)反坦克導(dǎo)彈用熱電池快激活和瞬時(shí)高比功率技術(shù)，結(jié)合熱電池電化學(xué)材料體系發(fā)展歷史、現(xiàn)狀，作了如何提升快激活能力，提高瞬時(shí)比功率輸出能力的技術(shù)探討，并對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 熱電池技術(shù)發(fā)展

1.1 快激活熱電池研究進(jìn)展

熱電池激活時(shí)間[7]是指從外部輸入激活信號(hào)開始到電池電壓達(dá)到規(guī)定下限值所需要的時(shí)間。整個(gè)激活過程需要經(jīng)過一系列的動(dòng)作，包括外部信號(hào)引爆內(nèi)部點(diǎn)火頭，點(diǎn)火頭發(fā)火引燃內(nèi)部引燃條和引燃片，各層鐵粉加熱藥被引燃、電解質(zhì)融化，目前熱電池激活時(shí)間大部分在1 s 左右，但是對(duì)于各型反坦克導(dǎo)彈來說，要求其激活時(shí)間盡可能縮短。因此國內(nèi)外對(duì)于彈用熱電池的激活速度提升從未停止研究。

國內(nèi)方面，康等[8]研究了二元和三元體系的電解質(zhì)對(duì)于激活時(shí)間的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)電池采用空載激活模式時(shí)，電池的激活時(shí)間較短；而在帶載模式下，需要根據(jù)工作電流來決定。同時(shí)其還研究了單體厚度對(duì)激活時(shí)間的影響[9]。種等[10]研究了影響激活時(shí)間的鐵粉加熱藥，并對(duì)燃燒產(chǎn)物進(jìn)行了分析。

國外方面，Guidotti[11]對(duì)鋯粉加熱藥的壓實(shí)密度進(jìn)行了研究，密度過大，激活時(shí)間延長。Czajka 等[12]在Fe 粉與KClO4質(zhì)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(shí)間。

國內(nèi)外還進(jìn)行了單體制備工藝的優(yōu)化，包括涂布[13]、絲網(wǎng)印刷[14]、輥涂技術(shù)[15]等一系列先進(jìn)工藝的使用，這些工藝的應(yīng)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(duì)于熱電池激活速度的提升，國內(nèi)外學(xué)者都在開展系列的研究工作，歸結(jié)起來主要包括：降低電解質(zhì)的熔點(diǎn)，通過減少前期的熱量攝入來縮短激活時(shí)間；采用改性的加熱系統(tǒng)，通過改變加熱藥的配比，提高熱量的輸出，進(jìn)而縮短電池的激活時(shí)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(shí)現(xiàn)電池激活水平的提升。針對(duì)反坦克導(dǎo)彈用電池在一定負(fù)載下激活的工作特征，隨著各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的不斷深入研究，反坦克導(dǎo)彈用熱電池的激活時(shí)間也將實(shí)現(xiàn)不同程度的優(yōu)化，0.2 s 激活時(shí)間的熱電池也將指日可待。

1.2 高比功率熱電池研究進(jìn)展

反坦克導(dǎo)彈在工作過程中需要電源系統(tǒng)具有瞬時(shí)高功率的輸出能力，但是鑒于目前反坦克導(dǎo)彈小型化、輕型化、便攜化需求的不斷加大，要求電源系統(tǒng)具有大的瞬時(shí)比功率輸出能力，從電池發(fā)展初期的單位質(zhì)量瓦級(jí)到千瓦級(jí)。同樣國內(nèi)外對(duì)于熱電池瞬時(shí)高比功率輸出的研究也在持續(xù)進(jìn)行，包括負(fù)極材料體系的更迭、正極材料的優(yōu)化以及正極新體系的研究等。

在負(fù)極材料方面，李等[16]曾對(duì)熱電池的陽極材料進(jìn)行了論述，首先是國內(nèi)對(duì)于LiSi 合金的使用曾經(jīng)在相當(dāng)長一段時(shí)間促進(jìn)了熱電池比能量及比功率的增加，但是隨著熱電池指標(biāo)的進(jìn)一步提高，LiB 合金逐步進(jìn)入大家的視野，使得熱電池中負(fù)極Li 的含量明顯增加，電池工作能力輸出得到了進(jìn)一步加強(qiáng)。種等[17]也對(duì)相關(guān)結(jié)論通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，表明LiB合金負(fù)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(zhì)量分?jǐn)?shù))提升到了70%，單電池電壓提高近0.2 V，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了電池比功率的提升。國外方面[18]，對(duì)于負(fù)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(fù)極被廣泛應(yīng)用，其中包括LiAl合金的應(yīng)用。

過渡族金屬硫化物是目前熱電池應(yīng)用較多的正極材料，其中FeS2是目前應(yīng)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(fā)生分解，增加熱電池的內(nèi)阻，從而降低其瞬時(shí)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(dǎo)電性能，降低其內(nèi)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(dǎo)炭黑作為導(dǎo)電劑，并進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，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(nèi)阻，有效提高了單體電池的放電能量。隨著CoS2體系的出現(xiàn)，熱電池的抗脈沖工作能力得到了很大突破，這是因?yàn)镃oS2的電阻率僅為0.002 Ω·cm，較FeS2的內(nèi)阻率17.7 Ω·cm 要低很多，同時(shí)CoS2的分解溫度較FeS2高出約100 ℃。Xie 等[21]對(duì)CoS2正極材料進(jìn)行了碳包覆，在完成碳包覆以后，電池在工作前期內(nèi)阻降低，抗脈沖能力明顯提高。孫等[22]對(duì)二硫化鈷在高功率熱電池上的應(yīng)用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用CoS2材料制作的熱電池內(nèi)阻較FeS2的降低了40%左右。

國外方面，Kang[23]對(duì)FeS2進(jìn)行了改性研究，將FeS2進(jìn)行了納米化處理，同時(shí)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(duì)FeS2進(jìn)行了改性研究，在FeS2中分別加入0.1%～1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的炭黑和多孔碳納米管，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)炭黑添加量為1%時(shí)，電池表現(xiàn)出最好的電化學(xué)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(shí)，為了進(jìn)一步提高電池的比功率輸出水平，國內(nèi)外學(xué)者不斷加大對(duì)于新的正極材料的研究。Choi 等[26]開展了Ni-Mo-S 復(fù)合材料的研究，該復(fù)合材料的制備大大降低了電池的內(nèi)阻。Guo 等[27]對(duì)氟化物正極材料進(jìn)行了研究，氟化物正極材料較傳統(tǒng)硫化物正極材料單片電壓升高，有效降低了電池的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了電池比功率的提升。Yu[28]對(duì)Fe-Co-S 復(fù)合材料進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)Co 與Fe 的摩爾比為3∶7時(shí)，電池表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗脈沖能力。Hu 等[29]同樣對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行了研究，但是其與Yu 的結(jié)果不同的是當(dāng)Co 與Fe 的摩爾比為1∶1 時(shí)，電池具有較為可觀的性能。Jin 等[30-31]對(duì)NiCl2正極材料進(jìn)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(tuán)隊(duì)在正極表面進(jìn)行了碳包覆，使得正極表面形成碳涂層，對(duì)其進(jìn)行了單元電池的測試，電極材料比能量達(dá)到了641 Wh/kg，較單純NiCl2有明顯的提升，同時(shí)電池的抗脈沖工作能力也得到了有效提升。

針對(duì)反坦克導(dǎo)彈用熱電池對(duì)于比功率的要求，可以通過兩方面的研究來實(shí)現(xiàn)：一方面是從傳統(tǒng)電化學(xué)體系入手，通過選用高鋰含量的鋰合金負(fù)極材料，改性的正極材料及優(yōu)化的電池制備工藝來實(shí)現(xiàn)電池比功率的增加，進(jìn)而提升熱電池性能；另一方面，可以通過開展新的電化學(xué)體系的研究，比如高電壓的氟化物、氯化物材料，低內(nèi)阻的復(fù)合材料，通過材料本身的電極優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈對(duì)于熱電池比功率的需求。

2 展望

較高的快速響應(yīng)能力、高性能的控制、精準(zhǔn)的打擊與有效的毀傷是所有武器系統(tǒng)共同的發(fā)展目標(biāo)[32]。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，歐美以及亞洲各國都在積極推進(jìn)熱電池新型電化學(xué)體系研究，尋求正極材料技術(shù)突破。除了對(duì)傳統(tǒng)硫化物材料進(jìn)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(shí)現(xiàn)電池比功率的進(jìn)一步提升；另一方面，通過改進(jìn)引燃材料、激活方式和單體制備工藝，使激活時(shí)間更短，制備200 ms以內(nèi)激活時(shí)間的反坦克導(dǎo)彈用熱電池也將實(shí)現(xiàn)。