高能量锂电池物超所值

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认识到电池技术的局限将最终导致新产品开发的瓶颈,美国国防部最近确认了对新一代高能量、长寿命电池的迫切需求。通过对理想电源管理解决方案的研究,Tadiran公司的科学家开发出了TLM系列电池,这是一系列高能量的锂金属氧化物电池,目前使用在各种各样的军事和航空航天应用之中。这种新一代的高能量锂电池因其性能属性而引起了军事/航空航天设计工程师们的极大兴趣,比如超长的贮存期、高速率电能、瞬间激活以及在极限环境条件下较高的生存性。


下面将简要描述在军事/航空航天应用中常用的电池化学机制。

贮备电池和热电池
贮备电池包含了范围很广的化学物质,包括铅酸、银-锌和锂亚硫酰氯。在所有贮备电池中,电解质与其他有效成分分开存储并保持着其惰性,直到有烟火装置被用于启动化学反应。


热电池是最受欢迎的贮备电池类型,它使用金属盐电解质,而后者在固态和环境温度下呈惰性,且不导电。这种电池由爆竹激活,后者会带来烟火充电,导致电解质在400~700℃的温度范围内继续融化,从而使电池达到最佳的导电性。一旦激活,热电池就会在相对较短的时间内释放出高速率的电能,提供从几瓦到几千瓦的连续电流,电流的大小取决于电池的大小和化学机制。

图1 锂金属氧化物电池的内部视图


热电池提供了某些优势,包括耐久性、安全性、可靠性和较长的贮存期。不过,这种类型的电池也具有固有的局限性,因为贮备/热电池不能在电池未完全耗尽的情况下进行测试,而且电池的激活要推迟到化学反应开始的时刻。


另一项主要缺点是,热电池一定是体积相对较大的,需要采用保温层来保持热量以便激活的电解质能够保持融解,并保护周围零件不受热损伤。热电池是专门为一次性应用而设计的。

银锌电池
银锌电池的设计更复杂,制造成本更高,需要燃气发生器、管状电解质贮存器、歧管、电池块、排气口和加热系统。因此,银锌电池需要更长的生产交付周期,而且因为它的能量密度低(260Wh/L),所以会带来性能限制。

旋转激活电池
旋转激活电池通常用于引信和某些船舶应用,它将电解质存储在小瓶或囊状物中,当自动推进武器启动后,小瓶或囊状物被割开,旋转外壳的离心力会将电解质分散到整个电池组中。旋转激活电池是专门为一次性应用而设计的。


使用锂亚硫酰氯化学物质生产的旋转激活电池现在被用于给子雷和通信干扰机供电,后者采用配备有降落伞的炮弹来推进以确保软着陆。


旋转激活电池也被部署在多功能火炮引信(Multi-Option Fuses for Artillery,MOFA)应用中,包括105和155mm的爆炸式火炮射弹。为寻求一种标准化的解决方案,美国国防部最近决定使用锂氧化物/卤化物电池代替铅酸或热电池,为最新一代的MOFA供电。如果这些MOFA装置采用大功率锂金属氧化物电池供电,而不是锂氧化物/卤化物化学机制,就可以实现显著的性能优势,包括容量增大7倍(200mAh和30mAh),电流增大超过10倍(达到3.5A,之前为325mA),电压将更稳定,而激活速度将更快(可以瞬时激活,而之前为100ms的延迟量)。