小议热电池激活时间的优化设计

张小帅 蔡德宇 徐智强 张丽萍 姜德龙

（1.黑龙江省哈尔滨建成集团，黑龙江 哈尔滨 150030；2.陕西省西安庆华机电集团有限责任公司，陕西 西安 710025）

引言

热电池具有很高的比能量和比功率、激活时间短、使用环境温度宽、贮存时间长、耐环境力学能力强、输出电压稳定、工作时间长、可靠性高、结构紧凑、不需要维护等优点，一直受到军界的青睐，并发展为导弹、核武器、火炮等现代化武器的理想电源，在军事领域中占有重要地位。

热电池的激活时间指从输入激活信号开始到电池的工作电压达到规定下限值所需的时间。为实现现代化武器机动快速及飞行员快速弹射的要求，要求热电池实现快速激活。本文从热电池的激活方式、点火组件的装配方式、引燃元件的引燃速度、电解质的种类、热电池工作电流、环境温度等方面研究影响热电池激活时间的因素，提出了减小热电池激活时间的几种方法。

1 热电池的结构及工作原理[1]。热电池主要由电堆、点火组件、引燃组件、加热组件、绝缘保温组件、电池壳及盖等结构件组成。下面以典型热电池为例，介绍各部件的功能及工作原理。

1 电堆；2壳；3盖；4绝缘保温组件；5点火引燃组件；6导流条

单体电池由正极片、隔膜片、负极片、加热片和集流片组成，采用平行重叠装配的方式构成电堆。电堆在一定压力下固定封装于壳体中，以保证在苛刻工作环境条件下电池的正常放电性能。常温下热电池内部的电解质是不导电的固体，电极活性物质和电解质相互间不进行化学反应，处于非工作状态。使用时采用电流引燃电点火头或用撞针机构撞击火帽点燃引燃元件，从而引燃加热元件，使电池内部温度迅速上升，开始电化学反应，同时熔融电解质并形成高导电率的离子导体，使电池激活，在短时间内即可输出所需的直流电压及电流。

图1 典型的热电池单元

2 影响热电池激活时间的主要因素

2.1 激活方式

在弹药系统中，热电池的激活方式主要有机械激活和电激活。机械激活即使用机械能引燃热电池发火组件（火帽）从而激活热电池，常用击针或撞针装置撞击火帽。从击针或撞针接触到火帽开始到火帽完全发火的时间一般大于50ms。

电点火头是热电池电激活的主要发火组件。它主要有四种形式：⑴常规热桥丝电点火头，其点火灵敏度很高，只要几百毫安电流就能使电点火头点燃，可靠发火时间为50ms。⑵钝感型电点火头，激活电流为5A，可靠发火时间为50ms。⑶半钝感型电点火头，激活电流为2.5A，可靠发火时间为50ms。⑷半导体电点火器，其尺寸是常规热桥丝的1/30，激活电流为5A。可靠发火时间为10ms。

电点火头的点火时间除了与形式有关外，还与点火的电流有关，电流越大时间愈短，但要注意：若点火电流过大，可能会造成电点火头。但从弹药使用角度来说，点火电流是在一定范围内的，所以影响激活时间的还是电点火头的形式。

2.2 点火组件的装配方式

热电池的点火组件是将电点火头包含在专用垫片中，一方面防止电点火头在电池堆中被挤压破碎，另一方面固定电点火头，防止其在电池堆中发生位移。为进行冗余设计，一般单元热电池均使用两个点火组件。点火组件的装配方式主要有两种方式，一种是单端双发（见图2），装配位置在电池堆的上端或下端；另一种为双端单发，装配位置是在电池堆的两端。

图2 单端双发电发火头组件

对于单端双发的装配方式，电发火头点火后，引燃是从电池的一端向另一端引燃；双端单发的装配方式，电发火头点火后，引燃是从电池的两端向中间引燃，双端单发的装配方式由于引燃距离短，激活时间比单端双发的装配方式略快。因此，使用双端单发的装配方式可以缩短电池的激活时间。

2.3 引燃元件的引燃速度

热电池的激活过程是当点火头接收到激活信号后发火，引燃Zr-BaCrO4引燃条，引燃条再点燃Fe-KClO4加热片，加热片加热使电池堆处于工作温度范围之内，热电池开始工作。

有部分热电池采用在电堆中间开传火孔的引发方式。将电池组的所有片子都加工为具有中心孔的圆片，每个单体电池之间夹上加热片，再在中间传火孔中填满引燃条。点火头发火后点燃引燃条，自中间传火孔将各层加热片点燃。由于这种结构要求引燃条与加热片之间的接触必须十分紧密，否则很难将加热片点燃，加热片由内向外燃烧，传火速度较慢，因此采用这种引发方式的热电池激活时间相对较长。为缩短电池的激活时间，现在多数热电池是使用片形结构，在电池堆的四周使用引燃条。

Zr-BaCr04加热纸是由火药用Zr粉和BaCrO4。制备得来的，这两种物质的粒度都在10μm以下。无机纤维，例如陶瓷和玻璃纤维，经常被用作加热纸垫的结构材料，其本身并不参与化学反应。Zr粉、BaCr04和无机纤维在加入水后通过湿法造纸技术就制成了类似纸张的材料[2]，燃烧热值约为1675J/g[3]。加热纸燃烧后成为电阻比较大的无机灰分。目前，Zr-BaCr04加热纸被用作热电池引燃条，线燃速一般在10cm/s左右，通过提高锆粉的活性，空气过滤纤维纸代替石棉纤维纸，改善制备工艺，可以将引燃纸的线燃速提高到20cm/s左右，在电池堆四周用3～4根引燃条可以缩短电池的激活时间。

2.4 电解质

电解质主要起两种作用：一种作用是导电介质（离子导电）；另一种作用是隔离正、负极并将其电极反应产物部分溶解。因此所选择的电解质必须具有良好的导电率和化学稳定性。对于快速激活热电池，除了具备以上两个作用外，还应具备熔点低的特点，可以扩大热电池的反应温度区间，缩短热电池的激活时间。

热电池使用的电解质是多元电解质，目前使用比较多的电解质主要为LiCl-KCl二元电解质、LiF-LiCl-LiBr三元全锂电解质和Li-Cl-LiBr-KBr三元低熔点电解质和LiF-Li-Br-KBr三元低熔点高电导电解质。

LiCl-LiBr-KBr三元低熔点电解质可大大缩短电池的激活时间，这是由于低熔点的电解质熔点较低，熔化相对较快。但LiCl-LiBr-KBr三元低熔点电解质电导率较低，欧姆极化较大，电池性能较差。LiF-LiCl-LiBr三元全锂电解质电导率较高，欧姆极化较小，但熔点较高，热电池工作温度区间较小，不利于长寿命热电池。LiCl-KCl二元电解质工艺简单，成本较低，熔点也不高，也比较适合缩短热电池的激活时间。LiF-LiBr-KBr三元低熔点高电导电解质熔点低，电导相对较高，比较适合缩短热电池的激活时间和提高电池的电性能。

2.5 工作电流

工作电流的影响其实就是热电池的放电电流密度影响。工作电流密度大，需要在单位面上积聚的离子数目多，需要的离子数目越多，积聚离子的时间越长，因此激活时间就越长。表2是某电池在常温状态下不同电流密度条件下的激活时间。

从表2可知，热电池空载条件下激活时间最短，带载激活时由于存在离子积聚和迁移热电的问题，激活时间会延长，工作电流越大，激活时间越长。减小带载时的工作电流，可以缩短热电池的激活时间。

表1 几种共融盐的性能

表2 某型热电池不同电流密度条件下的激活时间

表3 某型热电池电性能

2.6 环境温度

环境温度对热电池激活时间的影响主要体现在把电极材料和电解质加热到所需温度需要时间的长短不同。环境温度越低，加热时间就越长，激活时间也就越长。以某型热电池为例，采集了-45℃、20℃、+60℃条件下以200mA/cm2的电流密度激活时的具体数据，其电性能具体数据如表3所示。

从表3可知，热电池工作环境温度越低，激活时间越长，适当提高热电池的工作环境温度，可以缩短热电池的激活时间。但由于热电池的电点火头的使用温度不能超过72℃，因此不建议热电池的工作环境温度超过72℃。

结论

由以上分析可知，热电池的激活时间由激活方式、引燃元件的燃烧速度、电解质性质等内部因素和工作电流、环境温度等外部因素共同决定。在综合考虑热电池的电性能的同时，采用以下措施可缩短热电池的激活时间：

1 ）使用双端单发电发火头组件缩短热电池的激活时间；2）通过提高锆粉的活性，空气过滤纤维纸代替石棉纤维纸，改善制备工艺，使用3～4根引燃条可以缩短电池的激活时间；3)在热电池设计时，在考虑电性能的同时，综合考虑加热片的配比、成型压力、加热片的燃速、密度等因素，可以缩短热电池的激活时间；4）选用熔点低的电解质可以缩短热电池的激活时间；5）减小带载时的工作电流，可以缩短热电池的激活时间；6）适当提高热电池的工作环境温度，可以缩短热电池的激活时间。

[1]刘占辰.热电池激活时间研究[J].火工品，2006，（12），28～31.

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

[3]LINDEN D，REDDY T B，著.汪继强译.电池手册[M].北京：化学工业出版社，2007：365-366.