王洪巖，齊杏林，吳英偉

(1.陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003；2.中國(guó)人民解放軍63850部隊(duì)， 吉林 白城 137001)

0 引言

電容近炸引信電池為引信解除保險(xiǎn)、探測(cè)感知目標(biāo)、可靠起爆等提供能源保障，可以說電池的可靠激活、穩(wěn)定的電性能輸出直接影響電容近炸引信探測(cè)感知目標(biāo)的靈敏度，適時(shí)起爆和炸高、炸點(diǎn)的精確度，甚至導(dǎo)致電容近炸引信瞎火、早炸等[1]。經(jīng)長(zhǎng)儲(chǔ)后的電池是否仍然滿足可靠的電性能輸出等戰(zhàn)技指標(biāo)，是目前急需探討的問題。

本文對(duì)儲(chǔ)存5，6，7，8，9，14年工廠庫(kù)房自然儲(chǔ)存的全備引信中電池部件進(jìn)行放電性能檢測(cè)，電池檢測(cè)分別模擬引信在高溫(60 ℃)、常溫、低溫(-40 ℃)條件下電池的放電性能，分析電池長(zhǎng)儲(chǔ)后是否仍能滿足戰(zhàn)技指標(biāo)，與出廠數(shù)據(jù)對(duì)比分析電池各性能退化趨勢(shì)，以及不同作用溫度下對(duì)電池性能的影響，探討電池激活時(shí)間、最高電壓、電壓波動(dòng)幅值與噪聲退化機(jī)理。

1 電池的組成及工作原理

1.1 電池的組成

該電池主要由溴化物瓶部件、切刀部件、電解液瓶部件、極堆部件及電池殼等零件組成。其組成如圖1所示[2-3]。

溴化物瓶部件的內(nèi)部裝有內(nèi)盒—加重盤部件，隔離劑注入帶有纖維墊的內(nèi)盒中并吸附在纖維墊上，并用膜片和焊片使溴化物瓶密封。其主要功能是貯存隔離劑[4]。

切刀部件即激活機(jī)構(gòu)，由刀盤、鉚釘、雙刃刀、三刃刀組裝而成。其主要作用是在感知后坐和離心環(huán)境信息后切開電解液瓶和溴化物瓶的膜片，從而激活電池。

電解液瓶部件內(nèi)部裝有溴化物瓶部件以及壓裝在其外的加重環(huán)，還裝有切刀部件。電解液注入瓶中，用膜片覆蓋瓶口，經(jīng)焊接使瓶密封。該部件的主要功能是貯存電解液，并適時(shí)可靠開瓶。

極堆部件由絕緣片、底極板、隔離片、極片和導(dǎo)液板按規(guī)定順序疊裝后，經(jīng)加壓加溫粘接成一整體。成為19組單元電池串聯(lián)在一起的電極堆，底極板為負(fù)極匯電板，導(dǎo)液板為正極匯電板。極堆部件的主要功能是接納電解液后實(shí)現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)，輸出電能。

1.2 電池工作原理

當(dāng)彈丸發(fā)射時(shí)，安裝在引信中的電池，在后坐加速度和旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角加速度的綜合作用下，電池內(nèi)的切刀部件動(dòng)作，迅速切開貯液瓶的膜片，并進(jìn)而擴(kuò)大切口，撕開膜片，使電解液和隔離劑流出。在旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力作用下，電解液經(jīng)導(dǎo)液板的注液孔進(jìn)入極堆周邊上注液通道，再由進(jìn)液口分散進(jìn)入各單元電池的液室中，與正負(fù)極活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使電池激活供電。而隔離劑緊隨電解液之后進(jìn)入極堆注液通道，將通道內(nèi)的電解液擠往液室中，使其強(qiáng)制滯留在液室內(nèi)。同時(shí)隔離劑還將注液通道及進(jìn)液口的殘存電解液清洗一遍。以便消除注液通道中因有公共電解液而產(chǎn)生的短路現(xiàn)象，從而確保電池正常激活供電[5]。

1.3 電池電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理

該電容近炸引信電池的正極活性物質(zhì)為二氧化鉛(PbO2)，負(fù)極活性物質(zhì)為鉛(Pb)，電解液為氟硼酸(HBF4)，電化學(xué)表達(dá)式為[6]

(-)pb|HBF4|PbO2(+)

,

負(fù)極化學(xué)反應(yīng)為

正極化學(xué)反應(yīng)為

電池總反應(yīng)式為

該引信電池正負(fù)極反應(yīng)過程如圖2所示。

2 電容近炸引信電池長(zhǎng)儲(chǔ)性能試驗(yàn)

2.1 長(zhǎng)儲(chǔ)性能試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目

引信電池的檢測(cè)模擬電池在高溫、常溫、低溫3種狀態(tài)工作性能，電池應(yīng)在低溫-40 ℃、高溫60 ℃下保溫4 h，從溫度箱內(nèi)取出后，應(yīng)在1.5 min內(nèi)激發(fā)，檢測(cè)項(xiàng)目包括激活時(shí)間、電壓波動(dòng)、最高電壓、工作壽命以及電壓噪聲，相關(guān)要求如表1所示。

表1 試驗(yàn)檢測(cè)項(xiàng)目Table 1 Test and test items

2.2 長(zhǎng)儲(chǔ)性能試驗(yàn)樣本

引信電池樣本是從無溫濕度控制庫(kù)房?jī)?chǔ)存的非密封全備引信上拆解下來的，包括2003年、2008年、2009年、2010年、2011年、2012年6個(gè)生產(chǎn)年份的引信電池于2017年底進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)數(shù)量及狀態(tài)如表2所示。

表2 引信電池試驗(yàn)樣本分布Table 2 Distribution of fuze battery test samples

2.3 長(zhǎng)儲(chǔ)性能試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)設(shè)備采用雙環(huán)境力旋轉(zhuǎn)炮測(cè)試系統(tǒng)，該設(shè)備由主控機(jī)、電池彈丸、彈丸發(fā)射控制閥、真空泵、旋轉(zhuǎn)裝置、真空隔離片、測(cè)試裝置、三角緩沖木塊、緩沖銅棒、緩沖回收裝置，其組成結(jié)構(gòu)如圖3所示[6-8]。

試驗(yàn)前啟動(dòng)主控機(jī)并完成初始設(shè)置；將引信電池的2根導(dǎo)線插入彈丸插孔內(nèi)，擰緊彈丸蓋后放入彈丸發(fā)射腔內(nèi)；更換真空隔離片并將三角緩沖木塊、緩沖銅棒放入旋轉(zhuǎn)測(cè)試裝置內(nèi)；啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)后打開真空泵，當(dāng)負(fù)壓和轉(zhuǎn)速滿足要求時(shí)，按下發(fā)射按鈕，彈丸發(fā)射控制閥作用釋放電池彈丸，彈丸在負(fù)壓作用下加速運(yùn)動(dòng)，撞擊三角緩沖木塊實(shí)現(xiàn)后坐作用，同時(shí)彈丸前端2根針狀物插進(jìn)三角緩沖木塊隨旋轉(zhuǎn)裝置高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)離心作用，在后坐和離心綜合作用下完成引信電池的激活并進(jìn)行電池性能測(cè)試，緩沖銅棒在彈丸撞擊下退回緩沖回收裝置。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明,長(zhǎng)儲(chǔ)后的電池放電性能仍符合要求，各儲(chǔ)存年份電池性能檢測(cè)結(jié)果與儲(chǔ)存前同年份電池出廠驗(yàn)收數(shù)據(jù)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)高溫、常溫、低溫電池性能變化趨勢(shì)基本一致。表現(xiàn)為經(jīng)過儲(chǔ)存5，6，7，8，9，14年的電池,隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加,電池的激活時(shí)間、最高電壓略有下降，電壓波動(dòng)幅值、工作壽命基本沒有變化，電壓噪聲有個(gè)別不符合要求，經(jīng)分析屬檢測(cè)環(huán)境與設(shè)備引起的干擾噪聲。另外，同年份檢測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，激活時(shí)間和最高電壓隨溫度增加有所減小，工作壽命略有增加。下面著重分析電池的最高電壓與激活時(shí)間、電壓噪聲的退化機(jī)理，以及不同檢測(cè)溫度下電池放電性能的改變?cè)颉?/p>

3.1 最高電壓試驗(yàn)結(jié)果及退化機(jī)理

最高電壓是指電池在工作壽命里的最高輸出電壓。檢測(cè)結(jié)果表明,經(jīng)長(zhǎng)儲(chǔ)后的引信電池最高電壓隨儲(chǔ)存時(shí)間的增加有下降趨勢(shì)，且隨溫度的升高有增加趨勢(shì)。取各年份不同狀態(tài)下電池最高電壓均值，如圖4所示。

從圖4中可以看出，與出廠數(shù)據(jù)對(duì)比,電池的最高電壓有下降趨勢(shì)，且隨儲(chǔ)存時(shí)間增加下降幅度增大；對(duì)比同年份高溫、常溫、低溫狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨溫度的升高最高電壓也隨之增大。

最高電壓與活性物質(zhì)反應(yīng)表面積大小及活性、電解液中各離子活度的大小有關(guān)[9]。該電池正極活性物質(zhì)二氧化鉛有2種晶型α-PbO2和β-PbO2。β型比α型PbO2的具有更高的放電容量；負(fù)極活性物質(zhì)海綿狀鉛具有極度發(fā)達(dá)的表面積；根據(jù)熱力學(xué)可知，高能量物質(zhì)不穩(wěn)定，具有自發(fā)向能量減少的方向轉(zhuǎn)化，隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加正極β-PbO2型緩慢向α- PbO2轉(zhuǎn)化，負(fù)極海綿狀鉛合并表面粒子向低表面能方向轉(zhuǎn)化，進(jìn)而使電池最高電壓降低[10]。

(1)

式中：EΘ為標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，V；T為絕對(duì)溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，8.315 J/(mol·K)；n為電極反應(yīng)的電子數(shù)，mol(將負(fù)極化學(xué)反應(yīng)式改為n，在該反應(yīng)中n=2)；F為法拉第常數(shù)，96 500 C/mol；α為電池反應(yīng)中各物質(zhì)的活度，mol/L。

在高溫下電解液的粘度較小，離子活度高，電池激活時(shí)間小，輸出電壓高，這就是最高電壓隨溫度升高而增大的原因。

3.2 電壓噪聲試驗(yàn)結(jié)果及退化機(jī)理

電壓噪聲是在電池工作時(shí)間內(nèi)，當(dāng)頻率范圍為10～300 Hz時(shí)，正向或負(fù)向的噪聲電壓值，當(dāng)噪聲電壓值≥200 mV時(shí)，認(rèn)為不符合要求。檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果表明,長(zhǎng)儲(chǔ)后的引信電池電壓噪聲存在個(gè)別不符合要求現(xiàn)象，各年份統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 電壓噪聲試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Voltage noise test result statistics

電源噪聲主要來自于電化學(xué)反應(yīng)、電解液漏液和試驗(yàn)條件和設(shè)備引起的電壓噪聲[11]。

對(duì)于(-)pb|HBF4|PbO2(+)電池可能發(fā)生影響電源噪聲的氣體反應(yīng)有：

負(fù)極：Pb+2H+→Pb2++H2↑,

5）關(guān)注燃油品質(zhì)的穩(wěn)定性，對(duì)調(diào)和方式生產(chǎn)的低硫船用燃油加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)。2018年8月以來，在休斯敦、巴拿馬、荷蘭、新加坡以及東南亞多個(gè)港口陸續(xù)出現(xiàn)問題燃油事件，多艘船舶出現(xiàn)燃油淤積以及燃油噴射泵故障，甚至一些船舶出現(xiàn)停航事故。新加坡檢驗(yàn)專業(yè)機(jī)構(gòu)Maritec的通函顯示，受污染的問題燃油含有苯乙烯和苯酚，而且問題燃油都符合ISO 8217-2005行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很難被檢測(cè)出來。船用低硫燃油的調(diào)和原料具有多樣性、多產(chǎn)地、多成分的特點(diǎn)。船供油公司需增加相溶性方面的檢測(cè)，確保供應(yīng)到船上的燃油符合要求，避免出現(xiàn)質(zhì)量事故。

正極：PbO2+4H+→2Pb2++2H2O+O2↑.

負(fù)極如果含有鐵、銅等雜質(zhì)，會(huì)加劇析氫反應(yīng)，從而產(chǎn)生較大的反應(yīng)噪聲。正極上可能生成Pb(OH)2沉淀，并隨電解液溶解遠(yuǎn)離正極從而影響正極活性物質(zhì)的反應(yīng)面積，形成噪聲。電池一定會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，因此化學(xué)反應(yīng)引起的噪聲是不可避免的，但可通過提純電解液、活性物質(zhì)等有效減少化學(xué)反應(yīng)對(duì)噪聲的影響?；瘜W(xué)反應(yīng)噪聲一般很小，在μV級(jí)，不會(huì)影響引信的正常工作。

漏液是指電解液在高速旋轉(zhuǎn)作用下，未完全進(jìn)入極堆反應(yīng)腔遺留在電解液瓶中或極堆表面的現(xiàn)象。漏液是產(chǎn)生噪聲的主要原因，但需要滿足漏液使相鄰極片、雙性極片的正負(fù)極間歇性導(dǎo)通，從而造成電池組局部短路產(chǎn)生電壓噪聲，破壞電壓穩(wěn)定輸出。

另外，如果電極活性物質(zhì)鍍層發(fā)生爆裂、脫落破壞放電化學(xué)反應(yīng)體系、造成輸出電壓不穩(wěn)定，易產(chǎn)生較大噪聲。對(duì)于該電池由于種種原因使正極活性物質(zhì)PbO2鍍層脫落，產(chǎn)生一系列的自放電反應(yīng)放出大量氣體以及沉淀物，造成反應(yīng)噪聲急劇增大，嚴(yán)重破壞輸出電壓穩(wěn)定性。

試驗(yàn)條件和設(shè)備引起的噪聲是指由試驗(yàn)環(huán)境、檢測(cè)設(shè)備等引起的電池產(chǎn)生噪聲。例如，檢測(cè)設(shè)備周圍有突然啟動(dòng)或關(guān)閉的電氣設(shè)備，伴隨發(fā)出的電波干擾測(cè)試裝置，從而產(chǎn)生電壓噪聲，且多為單脈沖噪聲；電池彈丸測(cè)試觸點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)測(cè)試裝置接觸不良，致使輸出電壓和噪聲不穩(wěn)定。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),不符合要求電池電壓噪聲都為單脈沖噪聲，如圖5所示。

通過探討得出,電化學(xué)反應(yīng)對(duì)電源噪聲影響不大,為μV級(jí)；漏液和電極活性物質(zhì)鍍層脫落等嚴(yán)重破壞電化學(xué)體系，產(chǎn)生連續(xù)大噪聲信號(hào)，甚至破壞電壓穩(wěn)定輸出[12]；試驗(yàn)條件和設(shè)備引起的噪聲多為單脈沖噪聲，故該電池電壓噪聲是有檢測(cè)條件和設(shè)備引起的，電池本身無問題。

3.3 激活時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果及退化機(jī)理

激活時(shí)間是從激發(fā)瞬間至電源電壓達(dá)到23 V時(shí)的時(shí)間，因本檢測(cè)系統(tǒng)每0.1 s采集一次電壓，并且該電池激活太快，0.1 s時(shí)電壓就高達(dá)33 V左右，故激活時(shí)間檢測(cè)沒有具體值，但可以對(duì)比0.1 s時(shí)電壓的大小來反映出激活時(shí)間的快慢，即電壓越大激活時(shí)間越小。以常溫電池放電性能檢測(cè)結(jié)果為例，對(duì)長(zhǎng)儲(chǔ)后電池激活時(shí)間變化進(jìn)行分析，取各年份電池0.1 s時(shí)電壓的平均值與出廠0.1 s時(shí)電壓的平均值對(duì)比作圖，0時(shí)刻對(duì)相應(yīng)出廠數(shù)據(jù)均值，如圖6所示。另外，取各個(gè)年份不同溫度下0.1 s時(shí)電壓均值，按儲(chǔ)存時(shí)間連線作圖，如圖7所示。

從圖6中可明顯看出，電池經(jīng)長(zhǎng)儲(chǔ)后0.1 s對(duì)應(yīng)的電壓值有下降趨勢(shì)，也就是說電池長(zhǎng)儲(chǔ)后激活時(shí)間有所增加，但小于0.1 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)符合不大于1 s的要求。從圖7中可以得出，同一年份出廠時(shí)或者長(zhǎng)儲(chǔ)后的0.1 s時(shí)電壓值高溫最大，常溫次之，低溫最小，說明溫度越高電池的激活時(shí)間越??；同一狀態(tài)下的出廠時(shí)和長(zhǎng)儲(chǔ)后電壓值隨儲(chǔ)存時(shí)間增加減小幅度有所增加，說明電池激活時(shí)間隨儲(chǔ)存時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

經(jīng)分析,影響電池激活時(shí)間的因素主要有電解液進(jìn)入極堆的速度、活性物質(zhì)反應(yīng)表面積大小及活性、電解液中各離子活度的大小[13]。

在高溫下,電解液的離子活度高，粘度較小，進(jìn)液速度越快，電池激活時(shí)間小，輸出電壓高，這就是激活時(shí)間隨溫度升高而減少的原因[14]。

由以上分析得出,該電池各放電性能經(jīng)5,6,7,8,9,14年儲(chǔ)存后仍能滿足戰(zhàn)技指標(biāo)；另外，雖然該電池的儲(chǔ)存壽命為15年，但由檢測(cè)結(jié)果來看,各性能參數(shù)值退化較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)符合要求，預(yù)計(jì)儲(chǔ)存增加至20年各性能也能滿足要求。

3.4 電壓波動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果及分析

電壓波動(dòng)是指在≤0.1 s時(shí)間間隔內(nèi)的電壓變化≥1 V時(shí)，就被認(rèn)為是電壓波動(dòng)。以常溫電池放電性能檢測(cè)結(jié)果為例，對(duì)長(zhǎng)儲(chǔ)后電池激活時(shí)間變化進(jìn)行分析，取各年份電池電壓波動(dòng)平均值與出廠時(shí)電壓波動(dòng)的平均值對(duì)比作圖，0時(shí)刻對(duì)相應(yīng)出廠數(shù)據(jù)均值，如圖8所示。另外，取各個(gè)年份不同溫度下電壓波動(dòng)均值，按儲(chǔ)存時(shí)間連線作圖，如圖9所示。

從圖8中可以看出，經(jīng)長(zhǎng)儲(chǔ)后常溫電池的電壓波動(dòng)均值變化幅度不大，分布在0.10～0.23 V之間，無明顯退化趨勢(shì)，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)符合不大于1 V的要求。從圖9中可以得出，同一生產(chǎn)年份的電池在不同檢測(cè)試驗(yàn)狀態(tài)下，電壓波動(dòng)均值分布無規(guī)律，說明溫度高低對(duì)電池的電壓波動(dòng)影響不大。

3.5 工作壽命試驗(yàn)結(jié)果及分析

電池的工作壽命是從激發(fā)瞬間至電源工作電壓降至23 V以下時(shí)對(duì)應(yīng)的電池工作時(shí)間，電池工作壽命越長(zhǎng)說明電池性能越好[15]。以常溫電池放電性能檢測(cè)結(jié)果為例，對(duì)長(zhǎng)儲(chǔ)后電池工作壽命變化進(jìn)行分析，取各年份電池工作壽命的平均值與出廠時(shí)工作壽命的平均值對(duì)比作圖，0時(shí)刻對(duì)相應(yīng)出廠數(shù)據(jù)均值，如圖10所示。另外，取各個(gè)年份不同溫度下電池工作壽命均值，按儲(chǔ)存時(shí)間連線作圖，如圖11所示。

從圖10中可知，經(jīng)長(zhǎng)儲(chǔ)后常溫電池的工作壽命均值變化幅度不大，分布在193.15～200 s之間，無明顯退化趨勢(shì)，且滿足不小于150 s的要求。從圖11中可以得出，相同年份的電池在不同試驗(yàn)溫度檢測(cè)狀態(tài)下，工作壽命均值分布無規(guī)律，說明溫度高低對(duì)電池的工作壽命影響不大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)長(zhǎng)儲(chǔ)全備電容近炸引信的電池部件進(jìn)行放電性能檢測(cè)，分析電池電性能經(jīng)長(zhǎng)儲(chǔ)后的所處狀態(tài)及變化規(guī)律，得出該電池經(jīng)最高14年儲(chǔ)存后仍滿足要求，并討論了引起電池電性能退化的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果分析得出，高溫、常溫、低溫狀態(tài)下電池電性能變化趨勢(shì)基本一致，即隨著儲(chǔ)存時(shí)間的增加電池的激活時(shí)間有增加趨勢(shì)，最高電壓有下降趨勢(shì)，電壓波動(dòng)幅值和工作壽命無明顯變化，電壓噪聲個(gè)別有不符合要求，經(jīng)分析屬檢測(cè)環(huán)境與設(shè)備引起，電池本身電壓噪聲并無失效。另外，同年份高溫、常溫、低溫狀態(tài)下的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨溫度的增加激活時(shí)間有所減小，最高電壓和工作壽命略有增加。

經(jīng)分析討論得出，電池噪聲主要來自于電化學(xué)反應(yīng)、電解液漏液和試驗(yàn)條件和設(shè)備引起的。激活時(shí)間與最高電壓與電解液進(jìn)入極堆的速度、活性物質(zhì)的活性及反應(yīng)表面積大小、電解液中各離子活度的大小有關(guān)。隨溫度的提高電解液離子活度增強(qiáng)、粘度小，電池放電反應(yīng)加快致使電池各性能有所改善。