反坦克导弹用热电池研究进展

谢婷婷，刘海瑞，王晓峰，李科连

(1.中国电子科技集团公司 第十八研究所，天津 300384；2.陆军装备驻北京地区军代局驻天津地区军代室，天津 300384；3.江西洪都航空工业集团有限责任公司，江西南昌 330024)

反坦克导弹作为击毁坦克和其他装甲目标的战术导弹[1]，在国家安全领域具有重要地位。与其它反坦克武器相比，反坦克导弹具有命中精度高、威力大、射程远、轻便性好等优点[2]；与其他战术导弹相比，具有结构简单、造价低、使用方便等特点。

电源系统[3]对于各型导弹的功能实现具有重要的意义。20世纪60年代，我国开始了对第一代热电池的研究，采用杯式结构设计，结构复杂，以WO3或V2O5为阴极，Ca 或Mg 为阳极，如Ca或Mg/PbCrO4、Ca或Mg/WO3、Mg/V2O5等电化学体系，电池放电功率小、工作时间短，主要应用于空空导弹和反坦克导弹[4]。到20 世纪60 年代中期，开始采用先进的片型结构，电池结构更为紧凑、简单、合理，电池电化学体系为Ca/CaCrO4。美国的“尾刺”导弹使用的就是该体系热电池，比能量为12 Wh/kg，是20 世纪70 年代性能最好的热电池。20 世纪70年代中期，美国桑迪亚实验室开始对LiMx/FeS2(LiMx代表锂合金)热电池进行研究，电池技术指标得到了很大提升，锂系热电池进入全面发展时期。随着电化学体系的不断发展，国外对于负极材料开展了从LiSi 合金到锂铁合金(LAN)的应用，国内开始了自己的研制路线，从LiSi 合金向LiB 合金发展。期间，正极CoS2也进入了研究者的视野，电池的激活时间和脉冲比功率水平都得到了提升。

目前，随着国际形势的不断变化和高新技术的发展，不少国家加紧了对新一代主站坦克和反坦克武器的研制[5]。为攻击新型主战坦克，美、俄、西欧各国和地区重点发展新一代中程反坦克导弹[6]。图1 为以色列的拉斐尔公司设计的“长钉”(吉尔)中程反坦克便携导弹。随着反坦克导弹技术的不断发展，对其供电系统的要求也越来越高。

图1 “长钉”(吉尔)中程反坦克便携导弹

本文针对反坦克导弹用热电池快激活和瞬时高比功率技术，结合热电池电化学材料体系发展历史、现状，作了如何提升快激活能力，提高瞬时比功率输出能力的技术探讨，并对技术发展趋势进行了展望。

1 热电池技术发展

1.1 快激活热电池研究进展

热电池激活时间[7]是指从外部输入激活信号开始到电池电压达到规定下限值所需要的时间。整个激活过程需要经过一系列的动作，包括外部信号引爆内部点火头，点火头发火引燃内部引燃条和引燃片，各层铁粉加热药被引燃、电解质融化，目前热电池激活时间大部分在1 s 左右，但是对于各型反坦克导弹来说，要求其激活时间尽可能缩短。因此国内外对于弹用热电池的激活速度提升从未停止研究。

国内方面，康等[8]研究了二元和三元体系的电解质对于激活时间的影响，实验结果表明当电池采用空载激活模式时，电池的激活时间较短；而在带载模式下，需要根据工作电流来决定。同时其还研究了单体厚度对激活时间的影响[9]。种等[10]研究了影响激活时间的铁粉加热药，并对燃烧产物进行了分析。

国外方面，Guidotti[11]对锆粉加热药的压实密度进行了研究，密度过大，激活时间延长。Czajka 等[12]在Fe 粉与KClO4质量比为84∶16 的铁粉加热药中添加Mo 粉和Ti 粉，提高了铁粉加热药的燃速，缩短了电池激活时间。

国内外还进行了单体制备工艺的优化，包括涂布[13]、丝网印刷[14]、辊涂技术[15]等一系列先进工艺的使用，这些工艺的应用大大降低了电池中电极材料的用量，有效降低了单元电池的高度，缩短了电池激活距离，在一定程度上加快了热电池的激活速度。

对于热电池激活速度的提升，国内外学者都在开展系列的研究工作，归结起来主要包括：降低电解质的熔点，通过减少前期的热量摄入来缩短激活时间；采用改性的加热系统，通过改变加热药的配比，提高热量的输出，进而缩短电池的激活时间；采用新型的单体成型模式，通过缩短电池激活过程中的激活路径来实现电池激活水平的提升。针对反坦克导弹用电池在一定负载下激活的工作特征，随着各项先进技术的不断深入研究，反坦克导弹用热电池的激活时间也将实现不同程度的优化，0.2 s 激活时间的热电池也将指日可待。

1.2 高比功率热电池研究进展

反坦克导弹在工作过程中需要电源系统具有瞬时高功率的输出能力，但是鉴于目前反坦克导弹小型化、轻型化、便携化需求的不断加大，要求电源系统具有大的瞬时比功率输出能力，从电池发展初期的单位质量瓦级到千瓦级。同样国内外对于热电池瞬时高比功率输出的研究也在持续进行，包括负极材料体系的更迭、正极材料的优化以及正极新体系的研究等。

在负极材料方面，李等[16]曾对热电池的阳极材料进行了论述，首先是国内对于LiSi 合金的使用曾经在相当长一段时间促进了热电池比能量及比功率的增加，但是随着热电池指标的进一步提高，LiB 合金逐步进入大家的视野，使得热电池中负极Li 的含量明显增加，电池工作能力输出得到了进一步加强。种等[17]也对相关结论通过实验进行了验证，表明LiB合金负极具有好的脉冲放电特性，即热电池具有高的比功率输出能力。与LiSi 合金相比，LiB 合金的锂含量从44%(质量分数)提升到了70%，单电池电压提高近0.2 V，进而实现了电池比功率的提升。国外方面[18]，对于负极材料开始阶段同样采用了LiSi，后期，随着热电池比功率及能量需求的不断提升，LAN 负极被广泛应用，其中包括LiAl合金的应用。

过渡族金属硫化物是目前热电池应用较多的正极材料，其中FeS2是目前应用最为广泛的热电池正极材料，主要以天然矿的形式存在。但是FeS2的分解温度较低，只有550 ℃，在电池工作过程中极容易发生分解，增加热电池的内阻，从而降低其瞬时大功率输出的能力。高[19]指出为了提高FeS2的性能，可以加入一定量的石墨来改善FeS2的导电性能，降低其内阻。杨等[20]采用喷雾法工艺制备了FeS2薄膜正极，在其中加入了适量的超导炭黑作为导电剂，并进行200 mA/cm2的电性能测试，确定了该电流密度下炭黑的添加量为5%(质量分数)时，电池容量最高，并且较不添加炭黑的正极材料来说，具有更小的内阻，有效提高了单体电池的放电能量。随着CoS2体系的出现，热电池的抗脉冲工作能力得到了很大突破，这是因为CoS2的电阻率仅为0.002 Ω·cm，较FeS2的内阻率17.7 Ω·cm 要低很多，同时CoS2的分解温度较FeS2高出约100 ℃。Xie 等[21]对CoS2正极材料进行了碳包覆，在完成碳包覆以后，电池在工作前期内阻降低，抗脉冲能力明显提高。孙等[22]对二硫化钴在高功率热电池上的应用进行了研究，发现采用CoS2材料制作的热电池内阻较FeS2的降低了40%左右。

国外方面，Kang[23]对FeS2进行了改性研究，将FeS2进行了纳米化处理，同时在正极材料中加入少量石墨，使得电池的性能得到大幅度提升。Choi 等[24]对FeS2进行了改性研究，在FeS2中分别加入0.1%～1%(质量分数)的炭黑和多孔碳纳米管，实验结果表明当炭黑添加量为1%时，电池表现出最好的电化学性能，电池比容量最高。Guidotti[25]采用等离子喷涂法成功制备了薄尺寸的CoS2正极片，提升了电池的比容量，降低了电阻率，减少了极化，有效提升了热电池的大功率工作能力。

与此同时，为了进一步提高电池的比功率输出水平，国内外学者不断加大对于新的正极材料的研究。Choi 等[26]开展了Ni-Mo-S 复合材料的研究，该复合材料的制备大大降低了电池的内阻。Guo 等[27]对氟化物正极材料进行了研究，氟化物正极材料较传统硫化物正极材料单片电压升高，有效降低了电池的质量，实现了电池比功率的提升。Yu[28]对Fe-Co-S 复合材料进行了研究，实验结果表明当Co 与Fe 的摩尔比为3∶7时，电池表现出了较强的抗脉冲能力。Hu 等[29]同样对这一现象进行了研究，但是其与Yu 的结果不同的是当Co 与Fe 的摩尔比为1∶1 时，电池具有较为可观的性能。Jin 等[30-31]对NiCl2正极材料进行了研究，该正极材料较目前在用的硫化物体系单体电压具有明显的提升，该团队在正极表面进行了碳包覆，使得正极表面形成碳涂层，对其进行了单元电池的测试，电极材料比能量达到了641 Wh/kg，较单纯NiCl2有明显的提升，同时电池的抗脉冲工作能力也得到了有效提升。

针对反坦克导弹用热电池对于比功率的要求，可以通过两方面的研究来实现：一方面是从传统电化学体系入手，通过选用高锂含量的锂合金负极材料，改性的正极材料及优化的电池制备工艺来实现电池比功率的增加，进而提升热电池性能；另一方面，可以通过开展新的电化学体系的研究，比如高电压的氟化物、氯化物材料，低内阻的复合材料，通过材料本身的电极优势，实现导弹对于热电池比功率的需求。

2 展望

较高的快速响应能力、高性能的控制、精准的打击与有效的毁伤是所有武器系统共同的发展目标[32]。为了实现这一目标，欧美以及亚洲各国都在积极推进热电池新型电化学体系研究，寻求正极材料技术突破。除了对传统硫化物材料进行改性外，还布局新型硫化物、氯化物、氟化物、氧化物等材料研究，以实现电池比功率的进一步提升；另一方面，通过改进引燃材料、激活方式和单体制备工艺，使激活时间更短，制备200 ms以内激活时间的反坦克导弹用热电池也将实现。