多片并联层叠电堆的锂/二氧化锰储备电池

张亚萍,李要民

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

储备电池也叫激活电池，电极活性物质与电解质在储存期间不直接接触而处于惰性，使用时通过动力源作用于电解质使电池激活[1]。目前，国内关于锂储备电池的研究主要集中于锂/亚硫酰氯电池[2]，并以小电流放电应用于军事领域[3]，如通过焊接全密封结构用于延时及侵彻的弹体引信[4]。随着引信技术对电池大电流输出和大容量的需求，锂/亚硫酰氯储备电池已不能满足部分引信的使用要求。

锂/二氧化锰电池理论上具有较高的输出功率和容量水平，重负荷下放电安全，即使偶尔短路也不会发生爆炸、燃烧等现象，环保无污染，作为引信电源优势明显[5]；同时，锂/二氧化锰电池的功率特性更有利于提高锂储备电池较大电流条件下的容量水平[6]。目前，锂/二氧化锰电池多为卷堆式原电池结构和层叠电堆的扣式电池[7]，不适用于引信电源抗高过载冲击的使用条件，为此本文提出了多片并联层叠电堆的锂/二氧化锰储备电池。

1 锂/二氧化锰储备电池

1.1 锂/二氧化锰储备电池

锂/二氧化锰储备电池中，电解液被封装于储液瓶中而与电堆隔离，电池采用全密封焊接结构，从而实现电池的长期贮存性能和密封性能。此外，电池的激活机构可根据使用环境进行相应设计，从而扩大应用面。

1.2 传统层叠电堆结构对电池电性能的影响

电压和容量是衡量电池电性能的重要指标。电池正负极活性物质种类确定了电池的额定电压，电池容量则直接受正负极活性物质的含量影响。

图1为传统锂/二氧化锰电池的电堆结构示意图。在图1(a)所示结构中，电堆仅由较少数量的电极对并联构成，减小了电堆内电极的并联面积；图1(b)所示电堆中，大量存在正极与正极、负极与负极各自叠堆，使一半的电极不能形成直接经隔膜的对电极，降低了电堆的有效电极面积和单位体积内电极活性物质的含量，同时增加了电极活性物质的迁移距离，进而影响部分电极活性物质的电化学反应参与，造成电堆内阻的进一步增大和电极活性物质利用率、活性等的进一步降低。这两种电堆结构在电池电性能上有相同的表现，即限制了电池的输出功率和容量水平[8]。

图1 传统锂/二氧化锰电池电堆层叠示意图Fig.1 The pile stack sketch of traditional lithium/manganese dioxide battery

此外，在卷堆式结构的锂/二氧化锰电池中，尽管电堆结构对电极面积控制灵活且具有较高的电极面积利用率，但是卷堆过程中容易在电极边缘部位形成微短路，降低了电池电性能。

2 多片并联层叠电堆的锂/二氧化锰储备电池

对于特定电池，其容量等性能指标与电池正负极活性物质含量直接相关，单位体积内电极活性物质含量则受电堆结构影响。就此而言，增加电池有效电极面积和单位体积内电极活性物质含量，提高电池电性能，关键在改进电池电堆结构。

2.1 多片并联层叠电堆结构

多片并联层叠结构通过引线连续折绕于电极极耳实现，电极叠堆采用单条隔膜在正负电极间往复平行折叠，正负电极片形状相同，如图2所示。电堆正极集流引线由三部分构成：引线1、2在水平方向上下重叠并且垂直于引线3。叠堆时，引线2在正极极耳间以“S”形连续折绕层压极耳，成为电极导联线，最后使引线2水平伸出，引线1和3拉紧包裹极耳柱且末端与引线2重叠，在贴紧极耳处将三条引线用点焊机焊接为一体，形成可靠的电流集流引出。电堆负极集流引线构成与正极端相同并呈镜面对称，区别在于引线2以“Σ”形连续折绕层压极耳，以消除电极厚度差造成的负极极耳向下移位。隔膜折叠方式与正极端引线2折绕相同，每折叠一次放一个电极，正负电极交替且电极极耳居于电堆两侧，叠堆完成后用隔膜自体缠绕电堆主体，实现单体电堆的可靠绝缘，形成多片电极一体焊接、电堆两极极耳各自成柱平行相对的并联结构电堆。

图2 电极片和正极集流引线组成及折绕示意Fig.2 The electrode slice and the anode current collection lead composition and periphrasis sketch

2.2 多片并联层叠电堆的作用原理

相较于传统层叠电堆，多片并联层叠电堆的叠堆方式提高了电池单位体积内层叠电极的面积，增加了电池单位体积内电极活性物质的含量，使电池容量得以提高。同时，此层叠方式使每一个电极(正、负电极)的两个表面分别通过隔膜与另一个电极形成对电极，增加了电极对的面积，提高了电极的有效反应面积和电池的输出电流、电池功率。此外，多片并联层叠电堆结构在保留卷堆结构中电极面积利用率高的特点的同时，可以加压形成紧装配电堆，有利于提高电池电压，叠堆操作易于控制，电堆紧实，有效降低了电堆存在的短路风险。总之，多片并联层叠电堆结构有效地解决了传统储备电池层叠电堆存在的电极活性物质利用率低和单位电极面积装入量少的问题，提高了电池的输出功率和容量水平。

多片并联层叠电堆结构的锂/二氧化锰储备电池，通过电极导联线连续折绕于电极极耳间形成电堆的多片并联结构，提高了电池单位体积内的有效电极面积；通过隔膜在正负电极间往复平行折叠形成电堆，同时隔膜自体缠绕电堆主体，实现电堆的可靠绝缘，进而有效提升电池的输出功率和容量水平。

3 实验验证及结果分析

3.1 多片并联层叠电堆的储备电池放电测试

多片并联层叠电堆的储备电池样机性能测试均在常温下进行，电池通过马歇特23齿锤击激活，用8861数据采集仪并联于负载电阻两端接入测试线路，记录电池的工作电压和激活时间。

锂/二氧化锰储备电池由两个电堆在电池壳内串联构成。测试电池电性能之前，测得电堆放电开路电压为3.46 V且稳定不变化，说明电堆绝缘良好，不存在微短路等问题。图3所示为电池分别负载8、5、2 Ω电阻的放电曲线。观察图3中放电曲线可知，电池具有一定的放电电压平台。在8 Ω负载下，电池超过600 mA/5 V(3 W)放电持续时间为121 s，3 V以上放电时间接近60 min；5 Ω放电时，电池电压3 V以上即放电电流大于600 mA的放电持续时间为2 000 s；2 Ω放电时，电池超过1.5 A/3 V放电时间大于200 s。可见，多片并联结构的锂/二氧化锰储备电池具有较高的容量水平和低电压大功率输出的容量特性。电池较高电压放电持续时间远小于总体容量下的放电持续时间，从侧面说明电池的容量水平仍有较大的提升空间。此外，从放电曲线可以看出电池激活较快，没有电压滞后现象。

图3 电池放电曲线Fig.3 The battery discharge curves

3.2 多片并联层叠电堆的储备电池激活测试

多片并联层叠电堆的储备电池样机通过马歇特23齿锤击激活，电池激活时间取工作电压升至3.0 V所用时间。图4所示为电池激活曲线，从图4中可以看出，储备电池样机的马歇特23齿锤击激活时间为39 ms，大大缩短了锂储备电池的激活时间。激活过程中电池电压存在时间宽度约10 ms的波动，随后迅速上升，电池正常激活并呈现平稳的工作电压平台；电压波动时间远小于引信要求的电池激活时间，电池激活进入工作状态后对引信供电，不会影响引信的正常工作。储备电池在激活过程中存在的电压波动，原因可能是锤击冲击造成的电解液与电堆的暂时分离。为了降低电池的激活时间，可以进一步优化电池结构，以减弱电池激活过程中存在的电压波动，提高电池激活性能。

图4 电池激活曲线Fig.4 The battery activation curve

3.3 电池受冲击下的放电和噪声测试

引信电源作为引信的一个重要零部件，必然会在工作状态下随引信受到各种过载冲击，测试电池受过载冲击下的放电和电压噪声就显得尤为必要。图5所示为多片并联层叠电堆的储备电池样机在工作状态下受马歇特锤击冲击的放电曲线，图6为相对应的电压噪声曲线。试验电池由马歇特23齿锤击激活并负载100 Ω电阻放电，间隔一定时间后再次受马歇特23齿锤击。观察两图中曲线可知，电池激活后电压快速上升并维持稳定的工作电压平台，激活瞬间电池电压噪声为0.1 V，之后迅速降为0；第二次过载冲击下，电池电压有小幅下降但依然呈现稳定的电压平台，随后逐渐上升，电压噪声曲线仍然只在过载冲击瞬间显示0.1 V的极窄峰。可见，多片并联层叠电堆的储备电池电压噪声对马歇特锤击产生的过载冲击具有良好的一致性，可以承受马歇特锤击微秒级时间宽度内的峰值过载冲击。

图5 电池受冲击放电曲线Fig.5 The discharge curve of battery shocked by Machete hammering

图6 电池受冲击噪声曲线Fig.6 The noise curve of battery striked by Machete hammering

实验结果表明，多片并联层叠电堆的锂/二氧化锰储备电池对电堆内电极对数量的控制更为灵活，有利于电池输出功率和容量水平的提高。储备电池样机以1.5 A/3 V的大电流放电时间超过200 s，较锂/亚硫酰氯储备电池有更大的放电电流；电池样机以600 mA/5 V(3 W)的输出功率可以连续工作121 s，具有较高的容量水平和低电压大功率输出的容量特性；同时，电池激活快且没有电压滞后现象，在工作状态下可以承受马歇特23齿锤击的过载冲击，工作电压平稳，适用于引信对电池大电流输出和大容量的使用要求。

4 结论

本文提出的多片并联层叠电堆的锂/二氧化锰储备电池，通过引线连续层压折绕于电极极耳间实现多片并联结构，同时采用单条隔膜在正负电极片间往复平行折叠完成叠堆，实现电堆的可靠集流与绝缘。试验结果表明：多片并联层叠电堆的锂/二氧化锰储备电池超过600 mA/5 V(3W)连续放电的工作时间可以达到121 s，具有较高的容量水平和低电压大功率输出的容量特性；电池马歇特23齿锤击工作电压上升至3 V的激活时间为39 ms，大大缩短了锂储备电池的激活时间；在工作状态下可以承受马歇特锤击的过载冲击，电压噪声低，适用引信对电池大电流输出和大容量的使用要求。实验也发现在连续锤击过程中，电池存在电压下降的现象，可以在保证电极导联线与电极极耳等可靠连接和电池结构改进方面做进一步的深入研究。