韓 超

(天津電源研究所，天津 300384)

0 引言

魚(yú)雷是現(xiàn)代海軍最常用到的水中兵器，電動(dòng)力魚(yú)雷以其噪聲低、無(wú)航跡、不受背壓影響、訓(xùn)練成本低等特點(diǎn)，得到各國(guó)海軍的大力發(fā)展。動(dòng)力電池作為電動(dòng)魚(yú)雷的心臟，成為影響電動(dòng)魚(yú)雷發(fā)展的重要因素。鋁氧化銀電池是當(dāng)今裝備魚(yú)雷的最先進(jìn)動(dòng)力電池之一。法國(guó)SAFT公司研制的鋁氧化銀電池先后應(yīng)用于MU90、Black shark和F21魚(yú)雷，其性能可以達(dá)到普通鋅銀電池的2倍[1]。但鋁氧化銀電池在使用中發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象，那就是電池的殼體與電池不絕緣，正極與殼體存在電勢(shì)差。這一現(xiàn)象普遍存在于鋁氧化銀電池中。

大多數(shù)電池外殼是不帶電的，但鋁氧化銀電池由于其自身特性，外殼始終會(huì)與正極或負(fù)極形成電勢(shì)差，即所說(shuō)的殼體帶電。鋁氧化銀電池殼體帶電會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn)和危害。首先，鋁氧化銀電池需要與啟動(dòng)電池并聯(lián)供電，這就使得啟動(dòng)電池殼體不能帶電，或兩殼體相互絕緣，否則將形成充電回路，造成電池互相充電，危害電池安全；其次很多濾波電路都是用接地電容濾除共模干擾的，而一些場(chǎng)合不得不將外殼作為地。若電池殼體帶電，則會(huì)魚(yú)雷外殼也帶電，這會(huì)造成濾波電路中共模電容需要的耐壓值升高；同時(shí)，理想的接地平面是一個(gè)零阻抗、零電位的物理體，但由于殼體帶電，當(dāng)電池負(fù)載出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，電池電壓也隨之波動(dòng)，帶電的殼體電勢(shì)也會(huì)隨之波動(dòng)，有可能會(huì)造成濾波效果的下降。因此，弄清殼體電勢(shì)產(chǎn)生原因是很有必要的。

鋁氧化銀電池的電堆通常為雙極性堆式結(jié)構(gòu)，電堆整體浸泡在電解液中，電池外殼由于要有承壓作用，通常為金屬材料，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。電堆內(nèi)部各單體的電解液均連通，并與殼體連通，那么殼體電勢(shì)應(yīng)介于電池正極電勢(shì)與負(fù)極電勢(shì)之間。殼體電勢(shì)的產(chǎn)生可能是由電池電化學(xué)特性產(chǎn)生，也有可能是電池結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的。

圖1 鋁氧化銀電堆結(jié)構(gòu)示意圖

1 試驗(yàn)

由于不同型號(hào)的電池單體數(shù)不同，正極對(duì)負(fù)極的電勢(shì)差也不相同，而且放電深度、電液條件、溫度等都會(huì)使正極對(duì)負(fù)極的電勢(shì)差發(fā)生變化，因此不能用正極對(duì)殼體或負(fù)極對(duì)殼體的電勢(shì)差來(lái)分析殼體電勢(shì)的變化情況，本文使用殼體電勢(shì)占比這一概念，表征殼體電勢(shì)的變化情況。殼體電勢(shì)占比由公式：

η=KU+/KU計(jì)算而得，其中η為殼體電勢(shì)占比，K為結(jié)構(gòu)系數(shù)，U+為正極對(duì)殼體電勢(shì)差，U為正極對(duì)負(fù)極電勢(shì)差。本文針對(duì)電池負(fù)載電流、電解液濃度、放電深度以及電堆結(jié)構(gòu)四個(gè)可能影響殼體電勢(shì)占比的因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)，觀察殼體電勢(shì)占比的變化情況。

1.1 電池負(fù)載電流

電池分別加0A、100A、200A、300A的電流，記錄KU+、KU，并計(jì)算出殼體電勢(shì)占比η。

1.2 電解液濃度

鋁氧化銀電池的電解液是氫氧化鈉水溶液，氫氧化鈉濃度及副產(chǎn)物鋁酸鹽濃度直接影響電池電化學(xué)反應(yīng)，且殼體所帶電荷也是由電解液傳遞，濃度不同其導(dǎo)電率亦不相同。因此改變電池電液濃度，并加載250A電流，記錄不同濃度下KU+、KU，并計(jì)算出殼體電勢(shì)占比η。

1.3 放電深度

同一電池，在相同的電解液中，在放電深度分別為0%、30%、60%、90%的狀態(tài)下均加載250A電流，記錄KU+、KU，并計(jì)算出殼體電勢(shì)占比η。

1.4 電堆結(jié)構(gòu)

改變電堆正負(fù)極裝配方向，裝配出與圖1正負(fù)極方向相反的一組電堆，使兩組電堆浸沒(méi)在相同的電解液中，同時(shí)加載250A，記錄KU+、KU，并計(jì)算出殼體電勢(shì)占比η。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

電池負(fù)載電流的試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，電解液濃度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，放電深度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，電堆結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果如表4所示

表1 電池負(fù)載電流對(duì)殼體電勢(shì)占比的影響

表2 電解液濃度對(duì)殼體電勢(shì)占比的影響

表3 放電深度對(duì)殼體電勢(shì)占比的影響

表4 電堆結(jié)構(gòu)對(duì)殼體電勢(shì)占比的影響

由表1～表4，可以看出電池負(fù)載電流、電解液濃度、放電深度這三個(gè)因素對(duì)殼體電勢(shì)占比的變化影響不大，而電堆電極裝配方向?qū)んw電勢(shì)占比影響較大。

2.2 試驗(yàn)分析

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，電池負(fù)載電流、電解液濃度、放電深度，諸如此類(lèi)影響電池電化學(xué)特性的因素，只能影響電池正負(fù)極間的電勢(shì)差，從而影響殼體電勢(shì)的絕對(duì)值，但對(duì)殼體電勢(shì)占比沒(méi)有明顯影響，說(shuō)明殼體電勢(shì)的產(chǎn)生并不受電池電化學(xué)特性的影響。而電極裝配方向?qū)んw電勢(shì)占比影響較大，這就表明殼體電勢(shì)的產(chǎn)生與電堆結(jié)構(gòu)有很大關(guān)聯(lián)，考慮到殼體電勢(shì)并不與正負(fù)極任一極電勢(shì)相同，說(shuō)明此電勢(shì)產(chǎn)生可能為電池內(nèi)某部分內(nèi)阻所形成的壓降所致，而殼體電勢(shì)占比不隨電池負(fù)載電流的變化而變化，由此可以判斷此壓降不是由負(fù)載電流產(chǎn)生的壓降所造成的，應(yīng)為電池內(nèi)固有漏電流作用于電池內(nèi)部電解液的液相電阻所產(chǎn)生。

電池的漏電流可用電路模型進(jìn)行計(jì)算[2-4]，將電池內(nèi)部液體通路等效為電阻，則等效電路模型如圖2所示。環(huán)繞在電堆外部的電解液是沒(méi)有電流流過(guò)的，不產(chǎn)生壓降，因此殼體電勢(shì)應(yīng)與電堆進(jìn)出水口電勢(shì)相等，即為圖2中所標(biāo)出的節(jié)點(diǎn)電勢(shì)。根據(jù)基爾霍夫定律，應(yīng)用回路電流法能夠計(jì)算出圖2中標(biāo)為殼體電勢(shì)的節(jié)點(diǎn)電勢(shì)。選用圖1中的電池，電池的單體電壓為1.75V，電解液為6mol/L的NaOH溶液，根據(jù)電池內(nèi)電解液通道的l/S，就可以計(jì)算出圖2中各等效電阻的電阻值。根據(jù)回路電流法列寫(xiě)出矩陣，使用MATLAB進(jìn)行計(jì)算，最終可得出正極對(duì)殼體的計(jì)算值為64.3V，而實(shí)測(cè)值為59.9V，考慮到模型簡(jiǎn)化帶來(lái)的誤差，可以認(rèn)為計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果比較一致。從計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的一致性上可以佐證，殼體電勢(shì)是由電池漏電流在液相通道上的壓降所產(chǎn)生的這一結(jié)論是正確的。

圖2 電池等效電路圖

4 結(jié)論

通過(guò)以鋁氧化銀電池為例進(jìn)行的一系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鋁氧化銀電池殼體帶電的主要影響因素為電池的結(jié)構(gòu)，其他因素影響不大。進(jìn)一步分析表明殼體電勢(shì)是由電堆漏電流在液相電阻上產(chǎn)生的壓降所產(chǎn)生的，其電勢(shì)是可以通過(guò)對(duì)漏電流的計(jì)算獲得的。

[1]高新龍，王宇軒，李學(xué)海.從裝備需求看魚(yú)雷動(dòng)力電池發(fā)展[J].電源技術(shù)，2016，24(3)：206-210.

[2]I.Rousar and V.Cezner.Experimental Determination and Calculation of Parasitic Currents in Bipolar Electrolyzers with Application to Chlorate Electrolyzer[J].Electrochemical Science and Technology，1974，121(5)：648-651.

[3]I.ROUSAR and J.THONSTAD.Calculation of bypass currents in molten salt bipolar cells[J].JOURNAL OF APPLIED ELECTROCHEMISTRY 24(1994)：1124-1132.

[4]Harvey N.Seige.Leakage Current in Electrochemical SystemsHaving Common Electrolyte Paths[J].ELECTROCHEMICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY，October 1986：2002-2007.