鱼雷电池进展

刘 勇， 陈洪钧

（海军驻天津地区兵器设备军代表室，天津300381）

电动鱼雷是海军重要的反潜、反舰水下兵器。在电动力鱼雷中，电池作为推进电机电源，要在几分钟到十几分钟直至三十分钟内释放出数十至数百千瓦的能量。因此对电池组提出了较苛刻的要求。经过世界各国长期实践和检验，目前应用广泛的为锌银电池、镁/氧化银海水电池，先进的铝/氧化银电池和锂亚硫酰氯电池等。

1 锌银电池

锌银电池是目前国内使用最广的水中兵器装备动力电源，应用于多型鱼水雷，潜艇模拟器和诱饵。锌银一次电池主要应用于鱼水雷；锌银二次蓄电池主要应用于操雷及训练用装备，一些深潜器也使用大容量锌银二次蓄电池。

因为锌/氧化银电池的单极性和双极性电池用在水下鱼雷，已经有很长的历史。意大利和法国公司，制造的MU90/IMPACT鱼雷（重鱼雷和轻鱼雷）都采用模块化设计，应用各种结构的锌/氧化银电池组。德国随着战术和技术发展需要，对服役的鱼雷各结构部分进行分期改进，制定了更新结构计划，包括电源部分，如德国的SEEHECHTCM2A4鱼雷的技术理念是提供的武器具有杰出的水平，通过系统元件的逐步改进及对鱼雷性能和能力改进，生产出这种鱼雷的下一代产品。

2 铝/氧化银电池和铝/过氧化氢半燃料电池

铝是理想的负极材料，但目前铝阳极在化学电源中并没有得到大规模的应用，其制约因素主要有：(1)铝表面容易形成钝化膜，极化严重；(2)铝容易与介质发生严重析氢反应，利用率较低；(3)碱性介质中，铝阳极成流反应和腐蚀反应产物均为Al(OH)3，胶状的Al(OH)3不但降低电解质电导率而且增加铝阳极极化，使得铝电池性能恶化。针对不同的功率需求，目前应用于水下环境中的铝电池主要有铝-氧化银电池和铝-过氧化氢半燃料电池。

2.1 铝-氧化银电池

Al/AgO电池以Al合金为负极，AgO为正极，以溶解有KOH或NaOH的海水为电解液。这种电池适合用于大电流放电，单体电池在1000 mA/cm2工作时仍可保持1.6 V左右的电压。电池段比能量可以达到130 Wh/kg以上，质量和体积比功率分别可以达到1200 W/kg和2000 W/dm3。

在欧洲，铝/氧化银电池在电动鱼雷上已得到较成熟的应用。法国核潜艇装备的改进型“黑鲨”鱼雷，据称由意大利WASS公司与法国DCN公司联合开发，采用Al/AgO电池推进。另外，欧洲鱼雷公司已有联合销售和升级的计划，德国的SUT、DM2A4，法国F17Mod2等重型鱼雷都可能采用铝/氧化银电池进行升级。

美国和亚洲国家也都对Al/AgO电池给与了高度的关注。美国西屋公司曾报道了用于重型鱼雷的600 kW铝/氧化银电池，该电池采用两个模块的并联设计，以实现大功率输出。在亚洲，韩国自主研发的反潜鱼雷也采用了铝氧化银电池驱动水喷射推进器。

2.2 铝-过氧化氢半燃料电池

与铝氧化银电池相比，铝-过氧化氢半燃料电池的比功率较低，一般只有50～200 W/kg，但它具有更高的质量比能量（电池本体330 Wh/kg）和体积比能量（360 Wh/dm3），而且成本只有Al/AgO电池的1/3。该电池是以铝为阳极材料，过氧化氢为阴极反应物质，电解质为高浓度的NaOH或KOH溶液。500～800 mA/cm2的电流密度工作时，单体电压可以达到1.2～1.4 V。这种电池属于“准一次电池”，在放电结束后，电池可以通过更换铝电极和双氧水来进行机械方式的“充电”。

目前，Al-H2O2半燃料电池主要在AUVs（水下自航器）推进上。这种水下探测装置的航速一般只有4节左右，对推进电源的输出功率要求不高（1 kW左右）。AUVs可用在深海资源的勘查、军事侦察和水下无人武器系统等国防科技领域，已经受到欧美等发达国家的重视。加拿大Fuel Cell Technologies公司采用 Al-H2O2燃料电池系统为美国 Mbari，Bluefin AUV提供动力，下潜到水下4500m，在300 W功率下可连续工作270 h（能量为80 kWh）。美国Alupower公司也研制成功Al-H2O2燃料电池AUV动力系统，并有少量产品投放市场。

除了铝电池的共性问题——铝阳极的析氢和表面钝化外，Al-H2O2半燃料电池存在的技术问题主要是，H2O2电还原活性较低并分解释放氧气。因此目前的研究工作主要集中在高性能的电极结构和阴极催化剂上。

3 镁电池

水激活电池主要用作鱼雷的动力电源，按照电化学体系又可细分为镁/氯化亚铜电池、镁/氯化银电池等。镁阳极系列电池主要用作一部分引进装备的替代电源，铝/氧化银电池作为新型高比能量一次电池，已经开始在装备上批量使用。从电位和理论容量来看，镁也是较好的负极材料。制约镁应用为负极材料的主要问题有两个：一是在水溶液中镁负极表面容易形成钝化膜，导致它实际的电势比理论电势要正的多；第二个是镁负极在水溶液中会有较大的自腐蚀，库仑效率较低。针对这些问题，目前主流的解决途径就是镁材料的合金化和电液添加剂的使用。

近年来，关于镁海水电池的报道主要集中在中小功率方面，中等功率的镁海水电池一般采用过氧化氢等作为阴极；小功率的镁电池，则直接使用海水中溶解的氧气作为阴极活性物质。

4 锂系列一次电池

锂系列一次电池包括锂/亚硫酰氯电池、锂/二氧化硫电池和锂/二氧化锰电池等。此类电池在中小电流密度放电条件下的比能量高、电池荷电贮存时间长，因此可作为鱼水雷的引信、仪表和值更电源。

4.1 锂水电池

锂水电池负极为金属锂，正极为镍片或惰性金属，电解液为碱性水溶液。电池直接以水作为阴极活性物质，理论比能量8000 Wh/kg，比非水电解质的锂电池高得多，而且锂在碱性溶液可以高速溶解，适合大电流工作。因此，锂水电池是具有良好发展前景的水下电源之一。

从目前国内外的报道来看，锂水电池研究工作主要集中在有效控制锂电极自腐蚀上。主要的思路有三种：（1）锂电极的合金化；（2）电液添加剂的使用；（3）在锂电极表面制备人造膜。

锂在碱性溶液中容易形成LiOH钝化膜，在一定的条件下，膜的溶解速度和生成速度可以达成动态的平衡。人们希望通过合金元素和电解液添加剂的使用对膜的性质加以调节。最理想的状态是膜内Li+导通而H+不能透过，这样的结构就可以在锂溶解的同时不发生析氢反应。

4.2 锂亚硫酰氯电池

锂-亚硫酰氯是一种非水无机电解质电池，使用溶有LiAlCl4的亚硫酰氯作为电解液，其中亚硫酰氯既是电解质溶剂又是阴极活性物质。负极为金属锂，正极一般为安装在不锈钢片上的有shawinigan碳和特氟龙的冷压片。

该电池的主要优点是：（1）比能量高，电池本体的质量比能量和体积比能量分别可以达到420 Wh/kg和800 Wh/dm3；（2） 低温性能好，工作温度－55～85℃，（高温电池－55～150℃）（3）湿储存寿命长，可以达到5年以上。

但Li/SOCl2电池存在电压滞后及安全性问题：（1） 锂电极在储存时表面容易形成一层致密的LiCl保护膜，这层膜电子绝缘，Li+导电，LiCl膜随贮存而加厚，从而导致电压滞后；（2）在短路或重负荷下，电池容易热失控。

美国亚德尼公司为声纳浮标试制的Li/SOCl2电池用于大功率脉冲放电。电池采用双极性结构，阴极采用比表面积60m2/g和比表面积＞1000m2/g的高比表面积碳粉混合压制，正负极间采用玻璃纤维隔离，单体间采用热塑性材料密封，电解质为1.6 mol/L的LiGaCl4。

4.3 锂离子电池

(1)结构电池

结构电池由高强度的聚合物纤维和聚合物锂离子电池组成，既能提供能量又能起到承力结构件的作用。这种设计将电源系统和结构支撑系统合二为一，克服了块状电池和质量大、体积大的缺点，不仅可以减轻质量，还可以扩大有效的装载空间。

在聚合物锂离子电池中，隔膜、正极膜、负极膜均是有一定机械强度的聚合物膜，集电体（铜网、铝网）也可以提供一定的力学支撑，加上包装膜的机械强度，通过合理的设计可以满足受载要求。

(2)动力电池

锂离子电池作为动力电池在水下环境中应用，最初是从小型的UUV开始的，随着高倍率性能和安全性的不断提高，逐步应用于鱼雷等水中兵器的推进上。目前，锂离子电池在操雷上的应用已日趋成熟，有逐渐取代锌银电池的趋势。与锌银电池相比，锂离子电池在比能量、循环及湿储存寿命、制造和维护成本方面都具有绝对的优势。因此新型的电动鱼雷一般都采用锂离子电池进行训练。

5 展望

对鱼雷电源，锌银电池的技术进步已趋于极限，镁氯化银和铝氧化银海水电池都有一定的局限性，要和先进SCEPS热动力推进系统竞争，发展Li/SOCl2电池是较好的选择，经过多年实践，世界各国都趋于采用流动电解液途径，技术难度相当大，还需要有一定的时间，采用综合工程技术，才能解决其安全方面的问题，真正进入实用阶段[1-2]。

[1]张宇文.鱼雷总体设计原理与方法[M].西安：西北工业大学出版社，1998.

[2]吴和声，徐杏钦.高科技背景下的鱼雷武器[J].鱼雷技术，2003,1(3):1-5.