高能量锂电池物超所值(图)

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。

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）。


图2 军事/航空航天电池必须提供高速率电能、瞬间激活以及在极限环境条件下较高的生存性

锂二氧化硫
锂二氧化硫（LiSO2）电池几乎仅用于军事/航空航天应用，主要涉及到移动通信设备和背负式电台。这些电池的使用寿命有限，而能量密度则不到锂亚硫酰氯电池的一半。在那些需要连续数小时的高速率电能的应用中，LiSO2电池将提供最佳的性能。
可充电军事电池
由于移动的需要，军事应用主要依赖于一次电池，但可充电电池也被部署在各式各样的战场应用之中，比如背负式电台和探测器。使用可充电电池的缺点包括需要获取电能，并且需要合适的充电时间。

近些年，可充电电池技术取得了显著的进展。最早的密封式铅酸可充电电池使用寿命相对较短、容量较低且重量过于沉重，而新一代的NiCd、NiMH和锂离子电池则提供了更大的容量、更轻的重量以及更长的工作寿命。可充电电池技术继续发展，引入了适用于低温应用的可充电电池，而LiNiCoAl、LiFePO和LiNiMnCo等化学物质则提供了更高的能量密度和更好的安全性。
高能量锂金属氧化物电池
最近，Tadiran推行了TLM军工级高能量锂金属氧化物电池，它使用COTS技术来提供大电流脉冲和高速率电能，而且具有长达20年的保存期限，因为在室温下它每年的自放电速率小于1%。这些电池目前有3种标准的圆柱形规格（AA尺寸，CR-2尺寸和20mm长度），另外AAA尺寸（10mm）的电池也即将问世。这种高能量电池也可以很容易地配置成电池组，以满足客户的特定需求；因为它们使用COTS部件，所以产品设计和生产周期都可以实现快速调整，从而节省大量成本。

锂金属氧化物电池能提供多达2Wh的电能，具有4V的额定电压，135～500mAh的放电容量，能够处理5A的连续脉冲和最高15A的大电流脉冲。这些电池采用基于碳的阳极结构，多金属氧化物阴极，有机电解质和关闭隔离板，以提高安全性。这些电池还具有极低的自放电，很宽的工作温度范围（40～85℃），其震动、冲击、温度冲击、盐雾、高度、加速度（50000gn）和旋转（30000rpm）性能遵从美军标810G。这些电池的挤压、碰撞、针刺、加热、过充电和短路性能也遵从UN 1642和IEC 60086标准，可以作为安全货物来运输。

高能量锂金属氧化物电池不会像热电池那样在内部产生很高的温度，因此不需要隔热层，从而显著缩减了尺寸、重量和成本，特别是与银锌电池相比，后者需要爆竹，燃气发生器和外部加热元件。

与热/贮备电池和旋转激活电池不同，高能量锂金属氧化物电池支持瞬间激活，不需要爆竹或燃气发生器。这些电池也可以进行定期测试，以确保系统准备就绪，从而减少了导弹制导系统中“哑弹”的数量。这些电池的电量可以间歇性地获取，所以它们不限于一次性应用。