热电池的安全性设计探讨

摘 要：随着热电池在武器系统应用领域的不断扩展，热电池作为武器系统重要的能源，热电池的性能不断提升，更长寿命、更大电流成为热电池的发展方向。这些性能提升也对其使用安全性提出了更高的要求，本文从设计角度分析了影响热电池安全性的因素，并就安全性设计进行了探讨，为今后热电池的安全性设计提供参考。

关键词：热电池；安全性；安全性设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.07.197

热电池是一种一次性热激活储备电源，具有可靠性高、贮存时间长，激活快，工作温度范围宽，使用简便和无需维护等优点。热电池在通常情况下不导电，当外界给予能量激活后，开始工作输出电能，热电池内部温度迅速升到500℃左右。激活后如果产生故障，如发生短路、热失控，热电池内部化学反应失控，内部温度迅速至七、八百度以上，严重可能导致电池壳熔穿并向外高温熔融物，对武器的性能和安全性产生重大影响，对人员及武器设备造成一定的伤害[1-2]。目前对于热电池的安全性设计方面还没有可依据的标准，只能依靠设计-验证-设计更改及环境试验考核来保证，国内几家热电池研制单位也没有对安全性设计达成统一的认识[3-4]。本论文以热电池设计为根据，就影响热电池安全性的几个因素进行了分析，进一步对热电池安全性设计进行了详细的探讨，为今后热电池的设计提供参考。

1 影响热电池安全性的主要因素

1.1 电化学体系

常用的电化学体系有二元LiCl-KCl、三元低熔点LiCl-LiBr-KBr和三元全锂LiF-LiCl-LiBr。热电池最大理论工作温区为313～436℃，低熔点电解质能在较长时间内保持熔融状态，从而延长热电池的工作时间。如果电解质体系选择不当，加之热电池的设计热量过高，熔融的电解质从单体电池渗出，在单体电池间可形成短路，造成热电池电压输出不正常可能引起电池故障。因此，热电池电化学体系选择不当也可能造成热电池安全性问题，电化学体系的选择应与热电池使用要求遵循相互匹配原则，提高活性物质利用率，最大程度提高热电池性能和保证其安全性。

1.2 壳盖体的结构

热电池的壳体和盖体通常由具有一定机械强度、耐复杂力学环境的不锈钢材料加工。盖体是由铁钴镍合金丝和玻璃粉烧结而成，总装后通过氩弧焊将壳盖体焊接在一起成全密封结构。壳体厚度不均匀、机械损伤、机械强度差、不耐高温高压、玻璃体密封不严等瑕疵都可能成为安全性隐患。因此，壳体壁厚应均匀、无严重机械划痕，盖体玻璃体应密封性高、耐高温高压和复杂力学环境，接线柱与盖板保证绝缘，壳盖体焊接密封牢固、均匀、无沙眼和耐受压力。总之，壳盖体对热电池的影响主要由制造工艺技术来保证。

1.3 单体电池及电堆的结构

单体电池的结构主要有三合一结构和四合一结构，三合一结构主要由镍网、阻流环、正极粉、电解质粉和负极粉组成。四合一结构主要由阻流环、正极粉、铁加热粉、电解质粉和负极粉一次压制组成。四合一单体电池结构因其具有内阻小，制造工艺简单，可检测性好成为热电池单体电池首选结构。单体电池在装配之前必须经过检验其绝缘电阻、外观合格方可使用。

对于长寿命、大功率热电池，主要为外装式电堆结构。热电池电堆主要由集流体、加热片和单体电池等组成，设计过程中需考虑输出电路和内部电路设计、绝缘设计及保温设计。影响热电池安全性的主要有电路设计不合理、单体电池极性装反、漏装集流片和装配错误等，单体电池绝缘电阻不合格、热量过高都有可能引起热电池故障，导致输出电压不正常或内部短路等，这些因素都极有可能引起热电池安全性故障。

1.4 热量设计

热电池加热系统的合理设计（热量设计）是热电池正常工作的前提，热量设计决定了电池内部初始的温度和电池的热容量，关系到电池的热安全性和热寿命，不同类型的热电池需要不同的热设计方法。保证热电池电性能的基础下，热量分布性和热量设计的合理性直接关系到热电池的安全系数。热量分布设计不仅对热电池激活时间、峰值电压与电性能等技术指标产生一定的影响，而且将影响到热电池的安全性[5-6]。体系中热量设计过高，可能引起热电池热失控，化学物质反应迅速，导致热电池出现安全性问题。热量设计偏低，可能影响热电池的性能不达标。因此，如何合理的进行热量设计，成为许多科研技术工作者共同探索的一个课题。

2 热电池的安全性设计探讨

安全性设计决定了产品的固有安全性，通过生产管理和质量控制措施，实施设计方案，才能生产出满足安全性性指标的产品。下面重点介绍热电池在设计过程中需注意的几个方面。

2.1 优选电化学体系

根据技术指标的要求，由电压、电流、激活时间、工作时间和尺寸选择热电池适宜的电化学体系。电化学体系必须和热电池的电性能特点相互匹配，提高材料利用率，最大程度的发挥电极材料的性能。常见的几种电化学体系使用条件如下：

（1）二元氯化锂-氯化钾体系适用条件为：适合于高温小电流放电，峰值电压高，放电时间长。不适合于大电流长时间放电，大电流放电时，阴极容易生成J相，导致电极极化严重，影响正极的利用率；

（2）三元低熔点氯化锂-溴化锂-溴化钾体系适用条件为：电导率低，峰值电压低，放电容量大，放电中Li+/K+变化小，低温性能好，适合于长时间大电流放电，适合长寿命热电池体系；

（3）三元全锂氯化锂-溴化锂-氟化锂体系适用条件为：熔点较高，放电容量高，适合于大电流大功率放电要求，放电环境要求苛刻，不宜用于长寿命热电池。

2.2 壳盖体的结构

2.2.1 热电池壳体

热电池的壳体通常用不锈钢钢车制或不锈钢板冲制而成，在设计时必须考虑材料的耐物理机械强度，热电池壳体厚度，光滑度等影响壳体机械强度等。热电池壳体的厚度一般在1mm左右，用不锈钢无缝钢材料加工，必须对壳体的外观、工艺尺寸检验合格后使用。

2.2.2 热电池盖体

热电池用盖体一般选用不锈钢冷轧板材料加工，盖板的厚度通常在3mm左右，盖体是由铁钴镍合金丝和玻璃粉烧结而成，必须对玻璃体烧结后的外观、有无沙眼、气泡和密封性进行检测合格后方可使用。

2.3 单元电池

2.3.1 单体电池

单体电池在设计时必须考虑其配方的合理性、成型压力和电极材料。制造过程中通常需要检测单体电池的外观、绝缘电阻大于20，检测合格的单体电池才能装配热电池。

2.3.2 电堆结构及装配

电堆结构必须符合电路安全基本原理，要对内部电路设计和外部电路输出设计的合理性进行检查确认。在装配时电堆串联单体电池的极性保持一致，避免少装集流元件。同时电堆的绝缘电阻应符合要求，静电压在正常范围内。上下保温设置合理，避免温度过热导致单体电池中电解质渗出引起电堆短路。

2.4 热量设计

2.4.1 热量分布性设计

热电池主要靠其内部的加热系统提供热源，为了达到设计要求，通常调整加热片在电池堆中的径向分布，使每个单体电池工作温度都尽量接近在一定的范围之内。在热电池设计中主要采取以下方法：

（1）加热片重量沿电堆纵向呈梯次分布，即沿纵向由中间向两端加热片的重量逐渐增大，通过加热片自身的热量提高热电池电堆两侧的温度，确保单体电池的工作温度尽量接近；

（2）在电堆两侧加入熔盐缓冲材料，通过在热电池激活初期缓冲材料熔化吸收热量，随工作温度的逐渐降低，缓冲材料开始凝固放热保持电堆两侧的工作温度。同时为了避免热冲击，还要对其采取缓冲措施，确保在规定的工作时间内，整个电堆处于正常工作温度范围。

2.4.2 热量设计

热电池热容量设计的原则就是热体系放出的热量必须保证电池的内部温度在热电池工作温度范围内，热容量设计和电容量设计必须匹配。

一般短寿命热电池热容量设计相对较小，热电池设计时主要考虑热电池的电容量，在电容量设计满足的前提下，进行匹配的热容量设计；中长寿命热电池热容量设计较大，热电池设计时主要考虑电池的热容量，在热容量设计满足的前提下，进行匹配的电容量设计，需要牺牲热电池的电容量换取大的热容量。在实际设计中，热量的设计常常以热比系数来衡量，较高的热比系数可能导致热电池内部热失控，较低的热比系数会影响热电池性能，热电池的热量设计必须在热电池安全热比系数范围内。不同电化学体系的安全热比值范围有较大的差异，对于热比系数的确定可通过不同的高低温环境试验考核来确定。通常热电池热设计的合理性考核方法是：电池低温全负载试验和高温空载试验[7]。

2.4.3 保温设计

电堆周围的保温设计主要是确保在指标规定的工作时间内，整个电堆处于正常工作温度范围。根据电池工作时间的长短，选择适当的保温材料和保温层厚度。同时在保温设计要考虑适当散热问题，使热电池尽可能长地维持在稳定的温度范围内，避免局部温度过高引起热电池热失控。目前，应制造成本等原因，国内保温材料使用最多的为石棉纸材料。

参考文献：

[1]陆瑞生，刘效疆.热电池[M].北京：国防工业出版社，2005.

[2]李国欣.新型化学电源技术概论[M].上海：上海科学技术出版社，2007.

[3]李玉民.影响热电池电性能的因素[J].探测与控制学报，2001，23（09）：46-50.

[4]高艳，刘合财，龚敏庆.热电池的可靠性模型[J].贵阳学院学报，2010，5（03）：52-54.

[5]孟凡明.长寿命热电池的热设计[J].电子技术参考，1993（04）：34-42.

[6]段成丽.长寿命热电池的技术对策[J].电源技术，2012，8（36）：1248-1249.

[7]李立.热电池的热设计[J].第三届全国信息与电子工程学术会议、四川省电子学会曙光分会第十四届学术年会暨院青年科协第八届学术年会论文集，197-201.

作者简介：樊龙龙（1984-），男，硕士，工程师，研究方向：火工品质量监督。