军用通信电池技术进展

军用通信电池技术进展来源：＜中国电子设备系统工程公司研究所作者：王观成发表时间：2010-12-1223:20:49摘要：阐述了军用电池的地位与作用；综述了我国今后要发展的几种军用通信电池，特别是高性能一次锂电池、金属氢化物—镍蓄电池和锂离子蓄电池近几年来在技术上取得的进展与重大突破，并指出了这些发展中的新型电池今后改进与提高工作的重点。军用电池是武器装备和电子信息装备的重要组成部分，它为武器装备和电子信息装备提供能量保障，既是基础又是核心，其性能好坏、质量优劣在很大程度上决定了武器装备和信息装备的性能水平与作战能力。军用电池在装备管理分类上虽归属于军用电子元器件，但它与其它类电子元器件不同，必须经国家二级军工产品定型委员会批准设计与生产定型后，才能正式列装装备部队使用。因此它是一种特殊的军用电子元器件，是战略资源之一。它的技术进步与发展，对武器装备和电子信息装备的发展具有重大影响。一个国家要保持军事技术领先，就必须加强军用电子元器件的建设，在某种意义上讲，军用电子元器件的水平，体现了一个国家军事、科学和技术的综合实力。通过几个五年计划的努力，军用电池尤其是军用通信电池，无论是品种规格，还是性能、质量、可靠性与安全性都有大的发展和显著提高。为适应通信技术和信息装备的发展，军用通信电池今后将朝向安全的高比能量、高比功率、长寿命方向发展。近期与今后主要是研制与发展高性能的锂原电池、金属氢化物-镍蓄电池(以下简称MH-Ni电池)和锂离子蓄电池(以下简称为锂离子电池)。近些年来我国军用通信电池之所以发展迅速，不仅得益于电池材料、制造工艺、组装技术、电池结构等的进步与关键技术突破，还与我国电池技术及电池工业的进步和发展息息相关。1电池材料要提高电池的性能，关键在于探索研制新型的正、负极材料，因为材料是电池的基础，只有性能优异、稳定的材料，才能制作出先进的高水平的电池。作为锂离子电池重要组成部分的正、负极材料，其容量提高问题，已成为当前国内外研究的热点，它对电池整体性能的提高几乎起着决定性的作用。为此，“十五”期间，国防“973”致密能源基础研究项目和预研项目，重点探索研究了若干种实用性强的高比容量的正、负极材料，其中部分正、负极材料的研究深度和取得的相应成果不仅具有创新性，而且电化学性能达到世界先进水平。如高比容量、高电极电位的正极材料研究，已研究出特性指标可以达到3～4.5V、180～220mAh／g的正极材料体系，其中重点为改性的镍钴锂二元活性材料和镍钴锰锂三元活性材料。镍钴锂二元活性材料的容量达到200mAh／g以上，镍钴锰锂三元活性材料的容量达到220mAh／g以上，且展现出较好的循环稳定性、安全性与可加工性。此外，钒基氧化物材料、新型有机聚硫化合物材料的研究也取得了可喜的成果，如新型复合硫-碳正极材料的比容量达1000mAh/g以上，循环50次后，比能量仍维持在1200Wh／kg以上。而研制的高容量负极材料中的“元宵”结构Si-C复合负极材料的比容量达550mAh／g，首次循环效率在86％以上，经140次循环后容量无明显衰减，显示出很好的应用前景。其它负极材料的研究，如预处理SnO2、改性天然石墨与锡基合金负极材料也取得了好的进展与研究成果。上述性能优异的新型材料，将为我军电池综合性能的提高与跨越式发展提供坚实的技术支撑。2制造工艺在材料制备方法方面进行了创新性的基础研究，’由于合成方法的改进是改善材料性能的重要手段之一，因此在合成工艺方面，不仅对传统固相工艺进行了改进，还引入了低温技术，并使其不断优化，从而使材料性能不断得到提高。通过对材料掺杂、晶格修饰、表面包覆处理及多种物理化学方法等手段，使材料的各项性能指标尤其是容量、大电流放电能力、贮存性能及循环寿命取得了突破。此外，电池制造：厂艺的技术进步使电池性能大幅度提升，如MH-Ni电池采用泡沫镍电极制造工艺、干滚压成型工艺后，不仅成本降低，而且容量得到明显提高。采用新的储氢材料制备工艺，大大改善了电池的低温性能，使MH-Ni电池的低温性能(-40℃)达到了世界先进水平。3组装技术在武器装备和电子信息装备中大量使用的是电池组，电池组中单体电池质量的一致性对电池组的性能至关重要。实践证明，电池的组装是一门很重要的技术，它不仅涉及到对构成电池组的单体电池要求、测试、分类、组合，还有对组装后的电池组性能、可靠性的测试与评估。部队使用的经验表明：若不重视电池组中电池质量的一致性，除导致电池组提前失效外，还会引致不安全问题的发生，严重的出现机毁人亡。为了保证电池组中电池质量的一致性，从生产到使用，都应采取有效措施。第一在生产过程中要严格执行标准，增强质量意识，认真按工艺规程操作；第二要研究先进的组装技术，尤其是无损检测技术；第三对电池要按其使用说明书进行使用与维护。不同化学体系的电池，组装时的测试项目、分类及组合要求是不一样的，一次电池(原电池)与二次电池(蓄电池)的组装要求也是不一样的，因此要根据不同电池体系，研究出适合于满足其质量一致性要求的组装技术，这对提高电池质量的一致性尤为关键。我军通信用MH-Ni电池在组装技术方面有自己的特色，虽然在单体电池一致性测试项目上大致与美国军用标准相同，但由于我国提供制造电池的原材料的不稳定性与性能参数的波动性，材料的一致性难以保证，这就给电池质量的一致性带来了困难。因此根据我国国情，通过大量试验后，对标准进行了修订，并提高了对单体电池测试性能参数的要求，从而保证了电池组的性能及其使用时的安全性与可靠性。4新型电池目前，军用通信电池一次电池主要是研制与发展高性能锂原电池，该电池单体电压高，比能量是迄今为止一次电池中最高的电池体系，它工作电压平稳，工作温度范围宽广，贮存性能超群，携带、使用方便，是战时的首选电源。当前在武器装备和电子信息装备中使用的主要是锂-二氧化硫，电池和锂-亚硫酰氯电池，而锂-二氧化锰电池将是今后要重点研究与发展的-种新型原电池。它不仅在性能上基本可以与锂-二氧化硫电池和锂-亚硫酰氯电池媲美，而且其安全性好，无电压滞后现象，更适合武器装备和电子信息装备的使用要求，有着美好的发展前景。目前锂-二氧化锰电池的重量比能量可达280Wh/kg以上，-30℃下以0.2C5A电流放电，可放出常温下额定容量的40％。电池在短路、针刺或挤压、过放电、高温等滥用条件下，不燃烧、不爆炸。由于一次电池不能多次使用，材料未能得到充分利用，使用时电池的消耗量大、使用费用高，而蓄电池因能反复充电使用，故使用费用较低、累计容量大、大电流工作特性好，又有充电设备与其配套使用，因此在便携式通信装备中装备可充电电池-蓄电池正好弥补了一次电池的不足。尤其在平时值勤与训练中，通常都大量使用可充电电池。目前主要使用的可充电电池有镉镍(Cd-Ni)电池、氢镍(MH-Ni)电池、锂离子电池。今后要重点研究与发展的是锂离子电池及特能性的新型蓄电池体系(如锂硫电池体系等)。锂离子电池单体电池的电压高，比能量是迄今为止蓄电池中最高的电池体系，它工作电压平稳，工作温度范围宽广，贮存性能优异，聚合物锂离子电池还兼有好的适配特性与安全性，因而发展前景看好。目前，锂离子电池的比能量可达230Wh/kg以上，-40℃下以0.2C5A电流放电，可放出常温下额定容量的40％以上的容量，55℃下以0.2C5A电流放电，可放出常温下额定容量的95％以上的容量。搁置1个月，荷电保持能力可在90％以上。电池在短路、针刺或挤压、过放电、高温等滥用条件下，不燃烧、不爆炸。5电池综合性能的提升军用电池的一大特点是重视其综合性能，而不是只片面地强调某一项性能指标的提高，要求电池能在恶劣环境下仍能保持其良好的工作特性。通过不懈努力，我国军用电池的综合性能有了明显提升。目前，电池的容量或工作时间、循环寿命、高低温工作性能、荷电保持能力或自放电率、贮存特性、一致性、安全性等都有大的提高。以电池的容量或工作时间为例，用于手持式电台的锂-二氧化硫电池可使电台连续工作20h以上；AA型Cd-Ni电池容量从0.5Ah提高到0.9Ah，容量提高了80％；AA型MH-Ni电池容量从1.0Ah提高到1.5Ah，容量提高了50％。D型Cd-Ni电池容量从4.0Ah提高到5.5Ah，容量提高了37.5％；D型MH-Ni电池容量从6.5Ah提高到8.0Ah，容量提高了23％；锂离子电池组的重量比能量由120Wh/kg提高到180Wh/kg。特别要指出的是低温放电性能是军用电池不可忽视的一项重要性能指标。我国幅员辽阔，在寒区冬季使用，如果低温性能不好，武器装备和电子信息装备中大量使用的电池组就不能保障其作战性能，所以按照我国军标规定，对不同低温环境下使用的电池提出了不同的放电要求。地面最严酷的是-40℃下的低温放电要求，放电倍率≥0.2C5A，一般要求电池以0.4C5A电流放电，应能保证装备正常工作。经过多年的研究，我国军用电池在低温性能方面取得的进步是很大的，无论是Cd-Ni电池还是MH-Ni电池，都攻克了-40℃下放电性能的关键技术，且以0.2C5A电流放电都可放出常温下额定容量的40％以上的容量。锂离子电池特别是聚合物锂离子电池，低温特性是一大难以解决的关键技术，我国在这方面有所作为，通过攻关，做出了一流的成绩。现在锂离子电池(包括聚合物锂离子电池)的低温性能由原有的-25℃放电提升到了-40℃放电，在-40℃下以0.2C5A电流放电，可放出常温下额定容量的40％以上的容量。其高温性能也不错，55℃下以0.2C5A电流放电，可放出常温下额定容量的95％以上的容量。月荷电保持能力从90％可提高到96％，可见我国锂离子电池的综合性能已得到全面的提高，这是锂电池技术的又一个飞跃，它将导致我国军用电池跨越式发展。6今后改进与提高的方向新型军用电池正在发展中，为了更好地满足军事上的使用要求，提高作战能力与保障能力，笔者认为应在下述几个方面引起高度重视：(1)提高Li-MnO2电池比能量、比功率和低温放电特性我国目前研制的一次Li-MnO2电池的比能量、放电倍率与国外同类产品相比还有较大差距，-30℃以下的放电性能还不能满足使用要求。为此，结合武器装备和电子信息装备使用特点，该电池今后正作的重点应该是进步提高其比能量、比功率和低温放电特性。在结构上软包装电池有很大优势，更适合于便携式与手持式装备使用要求，但对其密封特性也提出了更高要求。如果在这几个方面有突破，将会迎来Li-MnO2电池发展中的又一个春天。(2)提高MH-Ni电池的耐过充、过放能力及循环使用寿命MH-Ni电池正在逐渐取代镉镍蓄电池，但在使用中，其耐用程度不如镉镍电池，即其耐过充、过放能力及循环使用寿命有待进一步提高。储氢材料的性能与稳定性是关键，应该在材料的改进和稳定性上下功夫，真正使我国的MH-Ni电池性能进人世界先进水平。(3)加速对锂离子电池正、负极新材料的研究与开发锂离子电池发展迅速，但要在军事上广泛应用还有许多工作要做。因为军事装备绝不会选用有安全隐患的产品，一定要保证装备的使用安全。无可置疑，锂离子电池具有许多的优异性能，但其安全性也同样令制造者和使用者十分关注。当今锂离子电池的安全性成了世界性的研究课题，只有性能优异、使用安全可靠的锂离子电池，才是发展的方向。应在保证安全的前提下，去提高锂离子电池的性能，不能片面追求某项性能，而忽视其安全性。从技术发展与使用考虑，目前尤其要加速对安全、稳定、高特性能的正负极新材料的研究与开发工作，这是由军事应用的特殊背景决定的。任何一项脱离应用的研究是没有生命力的，只有紧密联系需求才有持续的发展动力。在新材料研究中不仅要考虑其特性，还要注意其工艺可行性。有的材料某些特性很好，但可加工性差或用传统工艺加工困难，因此在对材料研究的同时，还应研究其加工工艺，这样研究出的新型材料才真正有实用价值。(4)提高锂离子电池低温下的放电倍率正如以上所述，锂离子电池的低温放电性能近几年来确有显著的提高。但随着军事装备的发展，要求电池在低温下能提供较大的工作电流，以保障装备低温下正常工作发挥其效能，目前锂离子电池还难以达到这一要求。