王勇

(91550部隊(duì)，遼寧大連116023)

鋅銀電池大電流放電平穩(wěn)性研究

王勇

(91550部隊(duì)，遼寧大連116023)

為了改善鋅銀電池大電流放電電壓平穩(wěn)性，研究了淺充電制度(充電容量為正極理論容量30%且大于負(fù)極理論容量)、薄電極成形技術(shù)(保持活性物質(zhì)的量，減薄正、負(fù)電極厚度，增加正、負(fù)電極的片數(shù))等方法。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，淺充電制度可提高大電流放電電壓平穩(wěn)性，但損失一定的電池容量，薄電極成形技術(shù)能顯著提高大電流放電電壓平穩(wěn)性，且不損失電池容量。

鋅銀電池；大電流放電；電性能；電壓平穩(wěn)性

鋅銀電池的比能量高、大電流放電能力強(qiáng)，被廣泛用作通訊、航空、航天和特殊電子儀器設(shè)備的配套電源[1]。劉彬等通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了隔膜、電解液密度、電極導(dǎo)電骨架(導(dǎo)電網(wǎng))及負(fù)極緩蝕劑對(duì)高功率鋅銀電池(HPZAB)設(shè)計(jì)性能的影響[2]。張瑞閣等研究得出鋅銀貯備式電池貯存失效的主要原因是電性能下降，主要體現(xiàn)在電壓下降和容量損失[3]。技術(shù)的日益發(fā)展對(duì)鋅銀電池提出了更苛刻的要求，如更高的比能量和比功率、更平穩(wěn)的放電電壓和更高的安全可靠性[2]。在各種惡劣工況下，特別是高、低溫條件要求大功率、大電流放電仍然維持原有的工作電壓范圍，顯然增加了設(shè)計(jì)上的難度。鋅銀電池分為貯備式鋅銀電池和鋅銀蓄電池，本文主要討論貯備式鋅銀電池的情況。通過(guò)對(duì)鋅銀電池電極的設(shè)計(jì)技術(shù)、電極充電制度等方面的研究，以期提高鋅銀電池在大電流、大功率放電情況下工作電壓的平穩(wěn)性能。

1 貯備式電池工作原理

鋅銀貯備式電池主要由電池堆、氣體發(fā)生器、貯液器、外殼和電連接器等組成。電池堆是將若干個(gè)串聯(lián)的單體電池和電解液分配系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合在一起的部件。通常單體電池為干荷電狀態(tài)，由一定數(shù)量的鋅電極(負(fù)極)、氧化銀電極(正極)和防止兩種電極短路的隔膜所組成，通過(guò)單體電池正、負(fù)極上發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，電池組將化學(xué)能轉(zhuǎn)變成電能對(duì)外供電。電解液分配系統(tǒng)起著控制氣液流量(或流速)保證電解液均勻分配至各個(gè)單體電池的作用。氣體發(fā)生器是激活電池組的動(dòng)力源，主要由點(diǎn)火裝置、火藥柱及其燃燒室組成。使用時(shí)，用外接直流電源點(diǎn)燃?xì)怏w發(fā)生器產(chǎn)生高壓氣體，將貯液器中的電解液推入電池堆中，電池組即可對(duì)外供電。外殼作為電池的密封保護(hù)裝置，是盛裝電池堆、加熱系統(tǒng)等的容器，保證電池在整個(gè)工作過(guò)程中結(jié)構(gòu)不被破壞，而且能承受各種力學(xué)環(huán)境和空間環(huán)境。電連接器是電池組內(nèi)外輸入、輸出的裝置。

貯備式電池轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)時(shí)，用直流外電源點(diǎn)燃?xì)怏w發(fā)生器，產(chǎn)生高壓氣體將貯液器兩端的封膜沖破，把存放于貯液器中的電解液迅速推入電池堆內(nèi)。經(jīng)過(guò)較短的時(shí)間電池即可對(duì)外輸出電能。

電池工作過(guò)程中，正負(fù)極電化學(xué)反應(yīng)分別如式(1)和式(2)所示：

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 通用電極放電實(shí)驗(yàn)

按目前常用鋅銀電池電極制備方法生產(chǎn)電極，進(jìn)行大電流放電性能實(shí)驗(yàn)。正極采用銀粉制備，負(fù)極用氧化鋅粉、鋅粉、氧化汞和粘接劑制備。電池在15、60℃兩個(gè)溫度條件下進(jìn)行80、230 A電流放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 通用電極放電結(jié)果

2.2 淺充電制度實(shí)驗(yàn)

通常情況下，要求鋅銀電池具有最大的質(zhì)量比能量和體積比能量，所以電極均采用深充電制度，即充電容量分別為正極理論容量的120%～130%、負(fù)極理論容量的110%[4]。本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變電極的充電深度，進(jìn)行測(cè)試和分析。實(shí)驗(yàn)中采取充電容量為正極理論容量的30%(但略大于負(fù)極理論容量)的充電方式加工生產(chǎn)電極，電池以80、230 A電流進(jìn)行放電，在15及60℃兩個(gè)溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表2為淺充電制度放電結(jié)果。

表2 淺充電制度放電結(jié)果

2.3 薄電極技術(shù)實(shí)驗(yàn)

相對(duì)于目前的電極技術(shù)水平，采用薄電極成形技術(shù)。在保持電池活性物質(zhì)總量不變的情況下，以減薄正、負(fù)電極厚度及增加電池正、負(fù)電極片數(shù)的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑：負(fù)極物料中粘接劑的含量為2%，并減少負(fù)極物料的量，負(fù)電極的成型壓力在原基礎(chǔ)上提高50%；減少正極物料的量，正電極的成型壓在原基礎(chǔ)上提高80%，并將正電極的燒結(jié)溫度[4]在原基礎(chǔ)上提高60℃。加工生產(chǎn)電極，電池以80、230 A電流進(jìn)行放電，在15及60℃兩個(gè)溫度條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表3為薄電極放電結(jié)果。

表3 薄電極放電結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 電化學(xué)極化

3.2 電子導(dǎo)體的歐姆極化

歐姆極化主要由連接電極的導(dǎo)體及正、負(fù)電極內(nèi)部組成的電子導(dǎo)體兩部分極化組成。連接電極的導(dǎo)體材料確定后該部分歐姆極化隨之確定，而正、負(fù)電極內(nèi)部組成的電子導(dǎo)體極化則由電極物料的組成來(lái)確定。

電極物料組成決定了歐姆極化的大小。正極銀電極的組成有如下5種情況：①一價(jià)氧化銀；②一、二價(jià)氧化銀；③二價(jià)氧化銀；④一、二價(jià)氧化銀及單質(zhì)銀；⑤一價(jià)氧化銀及單質(zhì)銀。由于單質(zhì)銀、一價(jià)氧化銀、二價(jià)氧化銀的導(dǎo)電性能差異，導(dǎo)致上述五種組成的歐姆極化依次減小。負(fù)極鋅電極的組成則為兩種：①單體鋅；②單質(zhì)鋅和少量氧化鋅組成。無(wú)論從哪個(gè)角度，負(fù)電極的組成全部為單質(zhì)鋅是最好的。電極物料的組成可以通過(guò)充電制度來(lái)確定。本次實(shí)驗(yàn)采用淺充電制度，電極化成后正極為大部分一價(jià)氧化銀和單體銀組成，負(fù)極全部為單質(zhì)鋅，所以導(dǎo)電性能好，極化小，內(nèi)阻低。

3.3 電解質(zhì)的濃差極化

影響電解質(zhì)濃差極化的因素有電解液種類、濃度、電解液的量及溫度。鋅銀電池通常使用堿性電解液，實(shí)驗(yàn)中選用導(dǎo)電性能最好的氫氧化鉀，配制成導(dǎo)電能力最強(qiáng)的40%的水溶液；并根據(jù)理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)，確定最佳的電解液用量。溫度高，電解質(zhì)的粘度小、傳質(zhì)速度快，濃差極化小，內(nèi)阻?。粶囟鹊?，電解質(zhì)的粘度大、傳質(zhì)速度慢，濃差極化大，內(nèi)阻大。對(duì)于電池的使用溫度，這是環(huán)境的溫度所確定的，在沒(méi)有熱源供給的情況下，電池必須滿足工作環(huán)境溫度要求。本次實(shí)驗(yàn)采用相同的電解液配比，在15和60℃兩種溫度下進(jìn)行比較，降低電解質(zhì)的濃差極化影響。

對(duì)比表1～表3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：采用淺充電方法，有效降低了電池的歐姆極化內(nèi)阻，可以適當(dāng)提高大電流放電工作電壓的平穩(wěn)性能，但該方法損失了電池的部分容量；采用薄電極成形技術(shù)，增加電池發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的面積，減小了電池組在大電流放電條件的電流密度，降低了電化學(xué)反應(yīng)的極化內(nèi)阻，顯著提高了工作電壓的平穩(wěn)性，而且該方法不會(huì)損失電池容量。

4 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于目前的電極制備技術(shù)水平，采用薄電極成形技術(shù)，在保持電池活性物質(zhì)總量不變的情況下，減薄正、負(fù)電極厚度及增加電池正、負(fù)電極片數(shù)的方法，可以有效提高鋅銀電池大電流放電時(shí)工作電壓的平穩(wěn)性能。電極充電制度采用正極理論容量30%、大于負(fù)極理論容量的淺充電方法，可以適當(dāng)提高工作電壓的平穩(wěn)性，但效果不如薄電極成形技術(shù)，而且該方法將犧牲電池的一部分容量。

[1]段志宇，張錫軍.鋅銀電池隔膜的阻銀遷移能力[J].電池，2009，39 (2):96-98.

[2]劉彬，張錫軍，段志宇.高功率鋅銀電池設(shè)計(jì)思路的探討[J].電池，2011，41(3):138-140.

[3]張瑞閣，關(guān)海波，宋楊，等.鋅銀貯備電池貯存失效模式與失效機(jī)理探討[J].電源技術(shù)，2012，36(3):358-361.

[4]郭炳焜，李新海，楊松青.化學(xué)電源-電池原理及制造技術(shù)[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2009：13-19.

[5]賈志軍，馬洪運(yùn)，吳旭冉，等.電化學(xué)基礎(chǔ)(V)-電極過(guò)程動(dòng)力學(xué)及電荷傳遞過(guò)程[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)，2013(4)：402-409.

Study on voltage stable performance of large current Zn-Ag battery

In order to improve the discharge voltage stable performance of large current battery,the technology of shallow charging,the forming technology of thin electrode and others about the Zn-Ag battery were discussed.For the shallow charging mode, the charge capacity is 30%of theoretical cathode capacity and it is higher than the theoretical anode capacity,the discharge voltage will be stable but parts of battery capacity lose.For the technology of thin electrode forming,the discharge voltage will be better when the thickness of the cathode and anode reduce and the number of both increase while keeping the total amount of the active substance.

Zn-Ag battery;large current discharging;electrochemical performance;voltage stable performance

TM 91

A

1002-087 X(2016)06-1221-02

2016-01-20

王勇(1977—)，男，河北省人，工程師，主要研究方向?yàn)檠b備試驗(yàn)與鑒定。