水激活电池研究现状

杨林億

（中国船舶重工集团公司第七研究院武汉科技开发中心，武汉 430079）

0 引言

随着世界经济的发展和科技的进步，人类与海洋的关系越来越密切。在经济发展层面上，国际间海上贸易越来越频繁，海上安全保障任务加剧，提高海上救生设备水平，寻求适合救生设备使用的电源是摆在人们面前的重要问题；在科技层面上，人类对海洋探索深入，各类监测设备电源以及军事反潜装备电源，武器推进用电源都是海洋事业发展中需要解决的重要环节。

水激活电池作为一种传统电源，非激活状态贮存寿命长，免维护，安全可靠，适用于救生设备、科技设备及武器装备，而且其电极材料资源丰富，生产工艺成熟，质量、体积、容量没有固定的标准，可以根据不同需要进行设计和生产，便于使用。随着水激活电池研究的深入，其在军用和民用设备上的范围越来越广。

1 水激活电池的基本原理和特点

水激活电池是一种储备电池，这种电池使用前为干态，使用时注入水或含水电解液激活后即可工作。

目前生产的水激活电池正极主要以银系列、铜系列、铅系列为主。负极主要采用镁、铝、锌三种金属材料，其中镁的应用最广泛。镁电极虽有某种程度上的副反应，但随着多种新型镁合金的研制发展，减小了腐蚀反应，提高了工作电压，逐渐成为水激活电池的主要负极材料。

水激活电池的基本工作原理与原电池一样，由不同材料制成的正极和负极之间的电位差产生电动势，推动电解液中的离子作定向移动形成电流。

水激活电池与普通一次或二次电池相比，具有许多的优点[1]：安全可靠、低温性能好、贮存寿命长、比能量和比功率相对较高。

水激活电池在工作状态下也会受到不同的电解质环境的影响：

（1）淡水中离子含量低，电池激活速度较慢，电压较低，为了适应使用环境，需要在电极材料中添加某些盐类，以提高电池激活速度和工作电压：在离子含量高的海水中，电池无需添加任何盐类便可达到设计要求，而且激活快（<1s）,工作电压高。

（2）对于控流型的水激活电池，需要复杂的电解液控制系统，进行对电解液的进入、分配、排除、气液分离等，导致电池造价高昂。

2 水激活电池的发展与应用现状

水激活电池最早以镁/氯化银电池形式出现[2]。二战期间已用作电动鱼雷的电源，以后又扩大到浮标、探空气球、航标灯和救生设备的电源。由于氯化银价格较高，其水激活电池产品长期以来只作为军用产品。为了使水激活电池能推广到商用和民用，1949年又推出了廉价的镁/氯化亚铜水激活电池，随后陆续出现了如镁/氯化铅、镁/碘化亚铜、镁/硫代氰酸亚铜等系列水激活电池。水激活电池的研究导致对几乎所有的正负极活性材料进行配对研究，最后形成了结构不同、性能各异的多种实用电池系列，满足了军用、民用的多种要求[3][4]。

水激活电池的发展目前主要有三个方向[5]：

（1）小功率金属腐蚀水激活电池

（2）半燃料电池

（3）大功率动力电池

表1 水激活电池用途类型

2.1 研究进展

自从 1983年国际海上人命安全公约修正案通过之后，世界各国对海上救生用水电池都进行了大量的研究并得到了广泛的应用[6]，用于声纳浮标电源的水激活电池也取得了很大进展，对电极材料的研究也取得了一定的成果。

2.1.1 正极材料的研究进展

在水激活电池的各类正极材料中，氯化银因其优良的电化学性能而被应用于各类水激活电池。但由于氯化银价格昂贵，难以得到广泛使用。在小功率用途上，人们寻求更为廉价的替代品，如现今还在广泛使用的铜系列、铅系列，这两个系列的水激活电池性能虽然不及银系列电池优越，但其价格低廉、性能稳定，能满足小功率、长时间放电的需求，受到研究人员的广泛关注。对于大功率、脉冲型用途的水激活电池正极材料现今依然以银体系为主，其中氯化银因其物理特性既可铸压成型，也可电解成型，便于生产加工，产品使用程度较高。镁/二氧化锰电池和镁/氧化镍电池在理论值上虽然与镁/氯化银电池相接近，但其反应生成的氢氧化锰和氢氧化镍使电池内阻增大，降低了放电性能，正极材料添加一定比例石墨或乙炔黑后，放电中降低了内阻，但电池性能仍不及镁/氯化银电池优异。邓姝皓等[7]研究发现 Mg/导电 PANI组成的水激活电池在一定环境条件下具有高电压（1.94V）、大电流（85mA/cm2）的特性，而且价格较低，在一定的使用要求下可以替代氯化银，具有很好的应用前景。

2.1.2 负极材料的研究进展

镁、铝、锌是水激活电池常用的几种负极材料，其中镁是应用和研究最广泛的负极材料。

纯镁作为水激活电池负极放电使用时，反应产物粘附性强，电极表面逐渐被反应产物覆盖，导致电池放电性能迅速下降。镁合金配方的研究希望从三个方面提高电性能：（1）有更负的电位和更好的放电性能；（2）反应产物易从表面脱落，不因放电时间的延长而减少反应面积；（3）析氢量较低。

早期研究的 AZ61和AZ31镁合金，与纯镁相比反应产物较易离开电极表面，粘附物较少，但放电性能不理想。国外在20世纪60—80年代已对镁合金进行了广泛的研究与试验，目前研究水平较高的有英国镁电子公司生产的 AP65和MT75以及俄罗斯镁／氯化亚铜电池用的镁合金负极材料[8]，它们代表了当今水下推进器用水激活电池镁合金负极材料领域的先进水平，其共有特点是电位负，析氢量低，成泥少，阳极极化低。

邓妹皓等[9]研究发现，镁合金中含有的 Pb、Sn、Ga等高氢过电位元素的过电位，增大了正极氢析出反应，使氢去极化反应减慢，从而发生微观原电池腐蚀的镁合金负极溶解过程阻滞，自腐蚀速度降低，利用率提高。马正青等[10]研制的新型镁合金在人造海水介质中开路电位增加，稳定工作电位增加，电极表面腐蚀均匀，与AP65相比具有优良的电化学性能。

表2 纯镁及其合金在人造海水介质中的析氢速度

镁合金用于长时间工作的水激活电池时，会自腐蚀产生孔蚀[11]，而导致电池提前失效。因此作为电极使用的镁合金必须先进行合适的表面处理，以化学方法处理为主，经处理液处理过的镁合金负极在放电试验中比未经处理的镁合金负极表面活性元素分布更均匀相对面积增大，表面反应均匀，析氢量低，激活时间缩短，工作时间长[12]。

2.2 需要解决的问题

水激活电池在的研制，除了要进一步解决电极材料的优化，还需要对电池结构进行更合理的优化设计。水激活电池在放电过程中，有气体和氢氧化物生成，如果排放不畅，就会导致电池堵塞，使反应无法继续，所以改进电池的进液和出气排渣是水激活电池设计的关键问题之一。

水激活电池一般都采用二级分配、多空进液的方式，这在一定程度上减少了电池接地造成的容量损耗，但在电池各单体之间依然会产生“漏电流”的问题。

水激活电池组在放电过程中，单体电池的反应都在共同的电解质中，由于电解质是导电的，单体电池之间形成通路，产生漏电。“漏电流”的产生导致了电池整体性能的降低，消耗了电池的容量，造成了浪费。

目前，减小“漏电流”的主要方法是改进延长单体电池到单体电池之间液路，但由于受到电池尺寸的限制，有一定的局限性。在许多实例中，电池的负极或正极连接到一个外部的金属表面，漏电流从电池中流到这个表面，通过在电池开口处放置一个带沟槽的盖，可以控制这些漏电流[13]。

3 结语

水激活电池安全可靠、非激活状态贮存寿命长、瞬时激活、免维护等优良特点在目前军用和民用上有着广泛的用途。随着先进电极材料的研究发展，电池工艺水平的不断提高，水激活电池的性能将会得到进一步提高，其应用也会进一步拓宽。

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