TLM系列高能量鋰電池

美國(guó)國(guó)防部最近確認(rèn)了對(duì)新一代高能量、長(zhǎng)壽命電池的迫切需求。通過(guò)對(duì)理想電源管理解決方案的研究，Tadiran公司的科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了TLM系列電池，這是一系列高能量的鋰金屬氧化物電池，目前使用在各種各樣的軍事和航空航天應(yīng)用之中。這種新一代的高能量鋰電池因其性能屬性而引起了軍事/航空航天設(shè)計(jì)工程師們的極大興趣，比如超長(zhǎng)的貯存期、高速率電能、瞬間激活以及在極限環(huán)境條件下較高的生存性。

下面將簡(jiǎn)要描述在軍事/航空航天應(yīng)用中常用的電池化學(xué)機(jī)制。

貯備電池和熱電池
貯備電池包含了范圍很廣的化學(xué)物質(zhì)，包括鉛酸、銀-鋅和鋰亞硫酰氯。在所有貯備電池中，電解質(zhì)與其他有效成分分開(kāi)存儲(chǔ)并保持著其惰性，直到有煙火裝置被用于啟動(dòng)化學(xué)反應(yīng)。

熱電池是最受歡迎的貯備電池類(lèi)型，它使用金屬鹽電解質(zhì)，而后者在固態(tài)和環(huán)境溫度下呈惰性，且不導(dǎo)電。這種電池由爆竹激活，后者會(huì)帶來(lái)煙火充電，導(dǎo)致電解質(zhì)在400～700℃的溫度范圍內(nèi)繼續(xù)融化，從而使電池達(dá)到最佳的導(dǎo)電性。一旦激活，熱電池就會(huì)在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)釋放出高速率的電能，提供從幾瓦到幾千瓦的連續(xù)電流，電流的大小取決于電池的大小和化學(xué)機(jī)制。

圖1 鋰金屬氧化物電池的內(nèi)部視圖

熱電池提供了某些優(yōu)勢(shì)，包括耐久性、安全性、可靠性和較長(zhǎng)的貯存期。不過(guò)，這種類(lèi)型的電池也具有固有的局限性，因?yàn)橘A備/熱電池不能在電池未完全耗盡的情況下進(jìn)行測(cè)試，而且電池的激活要推遲到化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始的時(shí)刻。

另一項(xiàng)主要缺點(diǎn)是，熱電池一定是體積相對(duì)較大的，需要采用保溫層來(lái)保持熱量以便激活的電解質(zhì)能夠保持融解，并保護(hù)周?chē)慵皇軣釗p傷。熱電池是專(zhuān)門(mén)為一次性應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

銀鋅電池
銀鋅電池的設(shè)計(jì)更復(fù)雜，制造成本更高，需要燃?xì)獍l(fā)生器、管狀電解質(zhì)貯存器、歧管、電池塊、排氣口和加熱系統(tǒng)。因此，銀鋅電池需要更長(zhǎng)的生產(chǎn)交付周期，而且因?yàn)樗哪芰棵芏鹊停?60Wh/L），所以會(huì)帶來(lái)性能限制。

旋轉(zhuǎn)激活電池
旋轉(zhuǎn)激活電池通常用于引信和某些船舶應(yīng)用，它將電解質(zhì)存儲(chǔ)在小瓶或囊狀物中，當(dāng)自動(dòng)推進(jìn)武器啟動(dòng)后，小瓶或囊狀物被割開(kāi)，旋轉(zhuǎn)外殼的離心力會(huì)將電解質(zhì)分散到整個(gè)電池組中。旋轉(zhuǎn)激活電池是專(zhuān)門(mén)為一次性應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

使用鋰亞硫酰氯化學(xué)物質(zhì)生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)激活電池現(xiàn)在被用于給子雷和通信干擾機(jī)供電，后者采用配備有降落傘的炮彈來(lái)推進(jìn)以確保軟著陸。

旋轉(zhuǎn)激活電池也被部署在多功能火炮引信（Multi-Option Fuses for Artillery，MOFA）應(yīng)用中，包括105和155mm的爆炸式火炮射彈。為尋求一種標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，美國(guó)國(guó)防部最近決定使用鋰氧化物/鹵化物電池代替鉛酸或熱電池，為最新一代的MOFA供電。如果這些MOFA裝置采用大功率鋰金屬氧化物電池供電，而不是鋰氧化物/鹵化物化學(xué)機(jī)制，就可以實(shí)現(xiàn)顯著的性能優(yōu)勢(shì)，包括容量增大7倍（200mAh和30mAh），電流增大超過(guò)10倍（達(dá)到3.5A，之前為325mA），電壓將更穩(wěn)定，而激活速度將更快（可以瞬時(shí)激活，而之前為100ms的延遲量）。

圖2 軍事/航空航天電池必須提供高速率電能、瞬間激活以及在極限環(huán)境條件下較高的生存性
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鋰二氧化硫
鋰二氧化硫（LiSO2）電池幾乎僅用于軍事/航空航天應(yīng)用，主要涉及到移動(dòng)通信設(shè)備和背負(fù)式電臺(tái)。這些電池的使用壽命有限，而能量密度則不到鋰亞硫酰氯電池的一半。在那些需要連續(xù)數(shù)小時(shí)的高速率電能的應(yīng)用中，LiSO2電池將提供最佳的性能。

可充電軍事電池
由于移動(dòng)的需要，軍事應(yīng)用主要依賴(lài)于一次電池，但可充電電池也被部署在各式各樣的戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用之中，比如背負(fù)式電臺(tái)和探測(cè)器。使用可充電電池的缺點(diǎn)包括需要獲取電能，并且需要合適的充電時(shí)間。

近些年，可充電電池技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展。最早的密封式鉛酸可充電電池使用壽命相對(duì)較短、容量較低且重量過(guò)于沉重，而新一代的NiCd、NiMH和鋰離子電池則提供了更大的容量、更輕的重量以及更長(zhǎng)的工作壽命?？沙潆婋姵丶夹g(shù)繼續(xù)發(fā)展，引入了適用于低溫應(yīng)用的可充電電池，而LiNiCoAl、LiFePO和LiNiMnCo等化學(xué)物質(zhì)則提供了更高的能量密度和更好的安全性。

高能量鋰金屬氧化物電池
最近，Tadiran推行了TLM軍工級(jí)高能量鋰金屬氧化物電池，它使用COTS技術(shù)來(lái)提供大電流脈沖和高速率電能，而且具有長(zhǎng)達(dá)20年的保存期限，因?yàn)樵谑覝叵滤磕甑淖苑烹娝俾市∮?%。這些電池目前有3種標(biāo)準(zhǔn)的圓柱形規(guī)格（AA尺寸，CR-2尺寸和20mm長(zhǎng)度），另外AAA尺寸（10mm）的電池也即將問(wèn)世。這種高能量電池也可以很容易地配置成電池組，以滿(mǎn)足客戶(hù)的特定需求；因?yàn)樗鼈兪褂肅OTS部件，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期都可以實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整，從而節(jié)省大量成本。

鋰金屬氧化物電池能提供多達(dá)2Wh的電能，具有4V的額定電壓，135～500mAh的放電容量，能夠處理5A的連續(xù)脈沖和最高15A的大電流脈沖。這些電池采用基于碳的陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，多金屬氧化物陰極，有機(jī)電解質(zhì)和關(guān)閉隔離板，以提高安全性。這些電池還具有極低的自放電，很寬的工作溫度范圍（40～85℃），其震動(dòng)、沖擊、溫度沖擊、鹽霧、高度、加速度（50000gn）和旋轉(zhuǎn)（30000rpm）性能遵從美軍標(biāo)810G。這些電池的擠壓、碰撞、針刺、加熱、過(guò)充電和短路性能也遵從UN 1642和IEC 60086標(biāo)準(zhǔn)，可以作為安全貨物來(lái)運(yùn)輸。

高能量鋰金屬氧化物電池不會(huì)像熱電池那樣在內(nèi)部產(chǎn)生很高的溫度，因此不需要隔熱層，從而顯著縮減了尺寸、重量和成本，特別是與銀鋅電池相比，后者需要爆竹，燃?xì)獍l(fā)生器和外部加熱元件。

與熱/貯備電池和旋轉(zhuǎn)激活電池不同，高能量鋰金屬氧化物電池支持瞬間激活，不需要爆竹或燃?xì)獍l(fā)生器。這些電池也可以進(jìn)行定期測(cè)試，以確保系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，從而減少了導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中“啞彈”的數(shù)量。這些電池的電量可以間歇性地獲取，所以它們不限于一次性應(yīng)用。