化学电源在军事、国防的应用

化学电源在军事、国防的应用

孙浩

重庆大学建筑环境系，重庆 401331

摘要：自1799年伏特将一块锌板和一块银板浸在盐水至今，化学电池不断发展出现了锂离子电池、铅酸蓄电池、燃料电池等多种新型化学电池已经广泛应用于各个领域，尤其是在军事国防上的应用，已成为某些军事装备与武器的关键技术，发展化学电池已与未来武器息息相关。

关键词：化学电源，军事国防

如人们已经熟悉的，化学电池在满足信息（如手机、对讲机、笔记本计算机、数码装置等）、交通运输、办公自动化、矿产探查、时有钻井、医疗器械乃至家用电器等所有现代社会的必需方面，已具有越来越重要的作用和地位。同时，随着武器装备信息化的快速发展及用电能作为动力武器装备的快速发展，军用电池的地位和作用也越来越高，军用电池已经成为各种军事装备和武器系统、航天器等各种装备的“心脏”和动力，是电能源的重要供应。下面，我就军用化学电源产品在军事装备与武器上的应用做一些介绍。

理原电池

最早研究锂电池的计划由美国国防部门提出并予以推进，其首要目的是发展航天和军事领域需求的高比能量蓄电池，但由于锂电池的循环寿命差和安全性难于解决，首先获得技术突破与应用的是锂原电池。1971年，日本松下电器公司的福田雅太郎首先发明了锂氟化碳电池，并使其获得应用。从此，锂原电池技术得到发展，逐渐从实验室走向生产，从原型样品走向实用化和商品化。随后，相继出现了锂碘电池（1927年）、锂铬酸银电池（1973年）、锂二氧化硫电池（1974）、锂亚硫酷氯电池（1974年）、锂氧化铜电池（1975年）、锂二氧化锰电池（1976年）和锂硫化铁电池等。

这里着重介绍锂二氧化硫电池。锂二氧化硫电池也属于有机电解质锂电池，但它的电解质溶液中溶解有二氧化硫，二氧化硫既是电解质溶液的组成部分，也是电池的正极活性物质。虽然二氧化硫溶解于有机溶剂中呈液态形式，但在一定温度下显示出维持气/液相间平衡的蒸气压力。一般电池在室温下内部仍保持又一定压力，且随温度升高而升高，故这类电池一般都设计为圆柱形全密封结构。这类电池的壳、盖通常采用镀镍冷轧钢或不锈钢材料，并在底部、侧壁或顶盖设有安全装置，当电池内部压力达到一定值时，安全装置动作，电池漏气以防止电池的爆炸。自1971年发表第一个锂二氧化硫专利以来，该电池技术发展较快，是有机电解质锂电池中综合性能最好的电池。电池的化学反应式如下：

2Li+2SO

2→Li

2

S

2

O

4

↓(连二亚硫酸锂)

当二氧化硫与金属锂接触时，金属锂表面生成二亚硫酸锂膜，这层膜可以阻止二氧化硫与金属锂继续反应，却能让锂离子自由通过，这层膜一般称为钝化膜，是使电池保持长储存寿命特性的关键。但是由于储存过程中，该钝化膜会生长增厚，使电池出现电压滞后现象。电池放电过程中的产物连二亚硫酸锂不溶于电解质溶液，在多孔碳电极的空隙中沉淀，反应末期，碳电极钝化放电终止，电池失效目前应用的锂二氧化硫电池都为卷绕式结构。单电池的容量从0.5A·h至35A·h，大多组成电池组后使用。锂二氧化硫电池开路电压为2.95V，其工作电压的数值视放点率、放电的环境温度二定，其典型的工作电压为2.7V~2.9V,终止电压一般为2.0V。该体系电池具有放电曲线平坦、低温性能特别优良（-40℃工作环境能放出额定容量的50%以上）、储存期内容降小（储存14年的电容量损失小于10%）、可以在较宽的工作电流或功率范围内工作，即能以高放电率短时间或脉冲负载放电，又能以小电流连续放电3年~5年；有电压滞后现象，即当电池长期储存后，第一次使用时，特别是以大电流或低温条件下放电时，电压滞后尤为明显。对滞后采取的措施是储存后的电池使用前，用较高的放电率对电池进行“激活”，使其达到规定的工作电压。锂二氧化硫电池主要用于军事装备及工作领域，包括军用电子设备、导弹、水中兵器、无人机、救援设备。声呐浮标及各类雷、弹的电源等。尤其适合于对电压平台和电压精度要求高、长储存后使用及高寒地区（-40℃以下）等需要高脉冲电流的设备使用。在伊拉克战争特定场合，由于战时来不及充电，也难以找到充电电源，因此士兵通信等用的电池大多是方便的一次性电池。其典型产品正是BA-5590锂二氧化硫一次电池。这种电池是美军目前使用最广泛的便携式电源，多种通信设备依靠它工作。一块这种电池重1025g，体积为111.8mm（长）×62.3mm(宽)×127.0mm(高)，容量14.4A·h（12V）或7.2 A·h（24V），工作温度范围为-55℃~75℃,储存期为十年。除此之外，由于锂亚硫酰氯、锂二氧化锰电池具有高比能量特性，也广泛应用于水雷及其他水中探测设备，炮弹、地雷乃至手榴弹的小型引线电源上。这类电池的进一步发展将会围绕提高电池的比能量、改善电池储存后的电压滞后以及提高电池的可靠性与安全性等方面进行，以此来满足更高的军事要求。

燃料电池

燃料电池是一种等温并直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化为电能的发电装置，也是一种新型的低污染、低噪音、大规模大功率和高效率的汽车动力和发电设备。这类电池的负极活性物质是天然燃料或易从天然燃料得到的物质（如氢，一氧化碳，水煤气等）正极活性物质通常是空气中的氧或纯氧。据统计，2005年全球拥有50万个固定的（静止式）燃料电池装置，到2010年，已有259万户家庭使用燃料电池，同时全球拥有60万台燃料电池汽车，占世界汽车生产量的1%。美国市场上以燃料电池为动力的机动车占美国汽车市场4%的份额，日本和西欧燃料电池汽车分别占市场份额的4.5%和3.7%。预计到2020年，燃料电池汽车将占世界汽车市场的25%。按电池所采用的电解质课将燃料电池分为5类：碱性燃料电池、磷酸燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池。这里着重介绍质子交换膜燃料电池。

质子交换膜燃料电池又称PEMFC，它以全氟磺酸型固体聚合物为电解质，铂碳或铂—钌/碳为电催化剂,氢或净化重整气为燃料,空气或纯氧为氧化剂,带有气体流动通道的石墨或表面改性的金属板为双极板.PEMFC中的电极反应类同于