張小帥 蔡德宇 徐智強(qiáng) 張麗萍 姜德龍

（1.黑龍江省哈爾濱建成集團(tuán)，黑龍江 哈爾濱 150030；2.陜西省西安慶華機(jī)電集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710025）

引言

熱電池具有很高的比能量和比功率、激活時間短、使用環(huán)境溫度寬、貯存時間長、耐環(huán)境力學(xué)能力強(qiáng)、輸出電壓穩(wěn)定、工作時間長、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、不需要維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，一直受到軍界的青睞，并發(fā)展為導(dǎo)彈、核武器、火炮等現(xiàn)代化武器的理想電源，在軍事領(lǐng)域中占有重要地位。

熱電池的激活時間指從輸入激活信號開始到電池的工作電壓達(dá)到規(guī)定下限值所需的時間。為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化武器機(jī)動快速及飛行員快速彈射的要求，要求熱電池實(shí)現(xiàn)快速激活。本文從熱電池的激活方式、點(diǎn)火組件的裝配方式、引燃元件的引燃速度、電解質(zhì)的種類、熱電池工作電流、環(huán)境溫度等方面研究影響熱電池激活時間的因素，提出了減小熱電池激活時間的幾種方法。

1 熱電池的結(jié)構(gòu)及工作原理[1]。熱電池主要由電堆、點(diǎn)火組件、引燃組件、加熱組件、絕緣保溫組件、電池殼及蓋等結(jié)構(gòu)件組成。下面以典型熱電池為例，介紹各部件的功能及工作原理。

1 電堆；2殼；3蓋；4絕緣保溫組件；5點(diǎn)火引燃組件；6導(dǎo)流條

單體電池由正極片、隔膜片、負(fù)極片、加熱片和集流片組成，采用平行重疊裝配的方式構(gòu)成電堆。電堆在一定壓力下固定封裝于殼體中，以保證在苛刻工作環(huán)境條件下電池的正常放電性能。常溫下熱電池內(nèi)部的電解質(zhì)是不導(dǎo)電的固體，電極活性物質(zhì)和電解質(zhì)相互間不進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，處于非工作狀態(tài)。使用時采用電流引燃電點(diǎn)火頭或用撞針機(jī)構(gòu)撞擊火帽點(diǎn)燃引燃元件，從而引燃加熱元件，使電池內(nèi)部溫度迅速上升，開始電化學(xué)反應(yīng)，同時熔融電解質(zhì)并形成高導(dǎo)電率的離子導(dǎo)體，使電池激活，在短時間內(nèi)即可輸出所需的直流電壓及電流。

圖1 典型的熱電池單元

2 影響熱電池激活時間的主要因素

2.1 激活方式

在彈藥系統(tǒng)中，熱電池的激活方式主要有機(jī)械激活和電激活。機(jī)械激活即使用機(jī)械能引燃熱電池發(fā)火組件（火帽）從而激活熱電池，常用擊針或撞針裝置撞擊火帽。從擊針或撞針接觸到火帽開始到火帽完全發(fā)火的時間一般大于50ms。

電點(diǎn)火頭是熱電池電激活的主要發(fā)火組件。它主要有四種形式：⑴常規(guī)熱橋絲電點(diǎn)火頭，其點(diǎn)火靈敏度很高，只要幾百毫安電流就能使電點(diǎn)火頭點(diǎn)燃，可靠發(fā)火時間為50ms。⑵鈍感型電點(diǎn)火頭，激活電流為5A，可靠發(fā)火時間為50ms。⑶半鈍感型電點(diǎn)火頭，激活電流為2.5A，可靠發(fā)火時間為50ms。⑷半導(dǎo)體電點(diǎn)火器，其尺寸是常規(guī)熱橋絲的1/30，激活電流為5A?？煽堪l(fā)火時間為10ms。

電點(diǎn)火頭的點(diǎn)火時間除了與形式有關(guān)外，還與點(diǎn)火的電流有關(guān)，電流越大時間愈短，但要注意：若點(diǎn)火電流過大，可能會造成電點(diǎn)火頭。但從彈藥使用角度來說，點(diǎn)火電流是在一定范圍內(nèi)的，所以影響激活時間的還是電點(diǎn)火頭的形式。

2.2 點(diǎn)火組件的裝配方式

熱電池的點(diǎn)火組件是將電點(diǎn)火頭包含在專用墊片中，一方面防止電點(diǎn)火頭在電池堆中被擠壓破碎，另一方面固定電點(diǎn)火頭，防止其在電池堆中發(fā)生位移。為進(jìn)行冗余設(shè)計，一般單元熱電池均使用兩個點(diǎn)火組件。點(diǎn)火組件的裝配方式主要有兩種方式，一種是單端雙發(fā)（見圖2），裝配位置在電池堆的上端或下端；另一種為雙端單發(fā)，裝配位置是在電池堆的兩端。

圖2 單端雙發(fā)電發(fā)火頭組件

對于單端雙發(fā)的裝配方式，電發(fā)火頭點(diǎn)火后，引燃是從電池的一端向另一端引燃；雙端單發(fā)的裝配方式，電發(fā)火頭點(diǎn)火后，引燃是從電池的兩端向中間引燃，雙端單發(fā)的裝配方式由于引燃距離短，激活時間比單端雙發(fā)的裝配方式略快。因此，使用雙端單發(fā)的裝配方式可以縮短電池的激活時間。

2.3 引燃元件的引燃速度

熱電池的激活過程是當(dāng)點(diǎn)火頭接收到激活信號后發(fā)火，引燃Zr-BaCrO4引燃條，引燃條再點(diǎn)燃Fe-KClO4加熱片，加熱片加熱使電池堆處于工作溫度范圍之內(nèi)，熱電池開始工作。

有部分熱電池采用在電堆中間開傳火孔的引發(fā)方式。將電池組的所有片子都加工為具有中心孔的圓片，每個單體電池之間夾上加熱片，再在中間傳火孔中填滿引燃條。點(diǎn)火頭發(fā)火后點(diǎn)燃引燃條，自中間傳火孔將各層加熱片點(diǎn)燃。由于這種結(jié)構(gòu)要求引燃條與加熱片之間的接觸必須十分緊密，否則很難將加熱片點(diǎn)燃，加熱片由內(nèi)向外燃燒，傳火速度較慢，因此采用這種引發(fā)方式的熱電池激活時間相對較長。為縮短電池的激活時間，現(xiàn)在多數(shù)熱電池是使用片形結(jié)構(gòu)，在電池堆的四周使用引燃條。

Zr-BaCr04加熱紙是由火藥用Zr粉和BaCrO4。制備得來的，這兩種物質(zhì)的粒度都在10μm以下。無機(jī)纖維，例如陶瓷和玻璃纖維，經(jīng)常被用作加熱紙墊的結(jié)構(gòu)材料，其本身并不參與化學(xué)反應(yīng)。Zr粉、BaCr04和無機(jī)纖維在加入水后通過濕法造紙技術(shù)就制成了類似紙張的材料[2]，燃燒熱值約為1675J/g[3]。加熱紙燃燒后成為電阻比較大的無機(jī)灰分。目前，Zr-BaCr04加熱紙被用作熱電池引燃條，線燃速一般在10cm/s左右，通過提高鋯粉的活性，空氣過濾纖維紙代替石棉纖維紙，改善制備工藝，可以將引燃紙的線燃速提高到20cm/s左右，在電池堆四周用3～4根引燃條可以縮短電池的激活時間。

2.4 電解質(zhì)

電解質(zhì)主要起兩種作用：一種作用是導(dǎo)電介質(zhì)（離子導(dǎo)電）；另一種作用是隔離正、負(fù)極并將其電極反應(yīng)產(chǎn)物部分溶解。因此所選擇的電解質(zhì)必須具有良好的導(dǎo)電率和化學(xué)穩(wěn)定性。對于快速激活熱電池，除了具備以上兩個作用外，還應(yīng)具備熔點(diǎn)低的特點(diǎn)，可以擴(kuò)大熱電池的反應(yīng)溫度區(qū)間，縮短熱電池的激活時間。

熱電池使用的電解質(zhì)是多元電解質(zhì)，目前使用比較多的電解質(zhì)主要為LiCl-KCl二元電解質(zhì)、LiF-LiCl-LiBr三元全鋰電解質(zhì)和Li-Cl-LiBr-KBr三元低熔點(diǎn)電解質(zhì)和LiF-Li-Br-KBr三元低熔點(diǎn)高電導(dǎo)電解質(zhì)。

LiCl-LiBr-KBr三元低熔點(diǎn)電解質(zhì)可大大縮短電池的激活時間，這是由于低熔點(diǎn)的電解質(zhì)熔點(diǎn)較低，熔化相對較快。但LiCl-LiBr-KBr三元低熔點(diǎn)電解質(zhì)電導(dǎo)率較低，歐姆極化較大，電池性能較差。LiF-LiCl-LiBr三元全鋰電解質(zhì)電導(dǎo)率較高，歐姆極化較小，但熔點(diǎn)較高，熱電池工作溫度區(qū)間較小，不利于長壽命熱電池。LiCl-KCl二元電解質(zhì)工藝簡單，成本較低，熔點(diǎn)也不高，也比較適合縮短熱電池的激活時間。LiF-LiBr-KBr三元低熔點(diǎn)高電導(dǎo)電解質(zhì)熔點(diǎn)低，電導(dǎo)相對較高，比較適合縮短熱電池的激活時間和提高電池的電性能。

2.5 工作電流

工作電流的影響其實(shí)就是熱電池的放電電流密度影響。工作電流密度大，需要在單位面上積聚的離子數(shù)目多，需要的離子數(shù)目越多，積聚離子的時間越長，因此激活時間就越長。表2是某電池在常溫狀態(tài)下不同電流密度條件下的激活時間。

從表2可知，熱電池空載條件下激活時間最短，帶載激活時由于存在離子積聚和遷移熱電的問題，激活時間會延長，工作電流越大，激活時間越長。減小帶載時的工作電流，可以縮短熱電池的激活時間。

表1 幾種共融鹽的性能

表2 某型熱電池不同電流密度條件下的激活時間

表3 某型熱電池電性能

2.6 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度對熱電池激活時間的影響主要體現(xiàn)在把電極材料和電解質(zhì)加熱到所需溫度需要時間的長短不同。環(huán)境溫度越低，加熱時間就越長，激活時間也就越長。以某型熱電池為例，采集了-45℃、20℃、+60℃條件下以200mA/cm2的電流密度激活時的具體數(shù)據(jù)，其電性能具體數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可知，熱電池工作環(huán)境溫度越低，激活時間越長，適當(dāng)提高熱電池的工作環(huán)境溫度，可以縮短熱電池的激活時間。但由于熱電池的電點(diǎn)火頭的使用溫度不能超過72℃，因此不建議熱電池的工作環(huán)境溫度超過72℃。

結(jié)論

由以上分析可知，熱電池的激活時間由激活方式、引燃元件的燃燒速度、電解質(zhì)性質(zhì)等內(nèi)部因素和工作電流、環(huán)境溫度等外部因素共同決定。在綜合考慮熱電池的電性能的同時，采用以下措施可縮短熱電池的激活時間：

1 ）使用雙端單發(fā)電發(fā)火頭組件縮短熱電池的激活時間；2）通過提高鋯粉的活性，空氣過濾纖維紙代替石棉纖維紙，改善制備工藝，使用3～4根引燃條可以縮短電池的激活時間；3)在熱電池設(shè)計時，在考慮電性能的同時，綜合考慮加熱片的配比、成型壓力、加熱片的燃速、密度等因素，可以縮短熱電池的激活時間；4）選用熔點(diǎn)低的電解質(zhì)可以縮短熱電池的激活時間；5）減小帶載時的工作電流，可以縮短熱電池的激活時間；6）適當(dāng)提高熱電池的工作環(huán)境溫度，可以縮短熱電池的激活時間。

[1]劉占辰.熱電池激活時間研究[J].火工品，2006，（12），28～31.

[2]COLLINS W H.Heating composition：美國 ，4053337[P].1977.

[3]LINDEN D，REDDY T B，著.汪繼強(qiáng)譯.電池手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：365-366.