锌银电池典型故障分析及性能优化

齐海滨，杨 磊

(国家深海基地管理中心，山东 青岛 266237)

目前，载人潜水器均自带电源，如铅酸电池、锌银电池和锂电池等[1]，作为水下作业的动力来源。大容量锌银电池具有比能量高、放电电压平稳、安全可靠等特点，在深海载人潜水器中应用广泛[2]。电池系统是载人潜水器的核心系统之一，需要为潜水器提供所有的动力及控制电源，满足水下运动、机械手采样及照明等常规动力电供给，并为水声通讯、控制和舱内人员生命支持等设备供电，同时，需要预留充足的储备电量，以应对各种应急突发情况。

“蛟龙号”载人潜水器在5年的试验性应用阶段，一直使用锌银电池作为能源系统，使用期间发生过较为典型的故障现象。本文作者针对其中一次典型故障进行深入分析，结合日常使用、维护保障等方面，对深海锌银电池的使用提出注意事项及优化改进措施，以期对锌银电池在深海装备上的设计与使用起到一定的参考作用。

1 载人潜水器锌银电池组成

“蛟龙号”载人潜水器的银锌电池组由主电池、副电池及备用电池组成。主电池由71只容量为800 Ah的单体电池组成，为潜水器推力器、液压源等动力设备提供110 V直流电源；副电池组由16只容量为1 100 Ah的单体电池组成，为潜水器所有仪器仪表及通讯设备提供24 V直流电源；备用电池组由16只容量为230 Ah的单体电池组成，可以在副电池出现故障时，为关键设备提供24 V直流电源。在潜水器舱内还设置有一组容量为50 Ah的应急铅酸电池组，在应急状态下，为诸如水声通讯设备、生命支持系统设备、水面无线电通讯设备和舱内照明灯等应急设备供电[3]。

在载人潜水器水下作业运行期间，锌银电池组通过补偿油膜的形式，将深海的高压传递至每一只单体电池的极板上，通过电池组内的绝缘油，实现与海水的有效隔离，达到绝缘的目的[4]。载人潜水器水下多系统多设备同时使用时，最大放电电流可超过200 A(见图1)，整个作业过程的能源消耗多集中在潜水器近底作业期间。

图1 水下作业电流曲线

2 载人潜水器锌银电池故障

2.1 故障现象

蛟龙号在执行某次下潜任务时，计划下潜6 500 m，重点开展大深度全流程功能测试及科学应用任务。潜水器通电检查期间，对锌银电池组进行重点检查，使用充放电机对所有单体电池的开路电压进行检测，发现基本稳定在1.85 V；使用潜水器绝缘检测系统对所有电池组进行绝缘检测，数值正常。潜水器布放入水并进行水面检查时，锌银电池组状态及绝缘值正常，随后，潜水器按照计划注水下潜。

潜水器在下潜期间，主要使用副电池组提供的控制用电，开展相关动力设备功能测试验证工作，主电池组一直处于待用状态。潜水器下潜至3 000 m时，舱内接地检测仪出现主电池组相关回路接地值大于2 mA报警故障(见图2)，且数值较大，舱内人员随后按照操作流程，关闭主电池组相关供电设备，但故障现象无明显改善；切断主电池组供电开关，接地故障依旧存在；切断主电池组相关传感器供电回路，故障无改善；在舱内人员计划采取应急操作时，舱内接地故障无预兆地改善，并具备潜水器继续作业的最低条件。经潜航员对主电池组电压、电流等参数进行综合判断后，继续维持设备使用，并重点关注绝缘检测及主电池组的运行参数。

图2 主电池绝缘电流随深度的变化

潜水器完成作业回收后，针对出现的故障进行重点排查。首先，确定绝缘故障点，检查主电池组相关配电回路，基本确定主电池箱内存在绝缘故障；其次，重点检查主电池箱，打开主电池箱顶部放气阀，发现有大量气体溢出，伴随刺鼻气味；最后，打开主电池底部放油阀，发现补偿油中含有大量黑色颗粒物，且存在刺鼻气味。综合以上因素，基本判断为主电池箱内部存在绝缘故障，且发生电解液泄漏。

拆卸主电池箱，打开补偿油膜，查看主电池箱内部单体电池情况，发现其中1只单体电池烧熔(见图3)，并因高温与周边2只单体电池熔化为一体，不能分离，电池组顶部及底部存在泄漏的电解液，直接导致主电池组的绝缘问题[5]。

图3 烧熔的锌银电池

2.2 故障分析

经对主电池组故障现象的查看，基本可以判断：因1只单体电池局部过热导致烧熔，破坏单体电池外壁，引起内部电解液泄漏，最终导致主电池绝缘故障。

随着使用时间的延长，锌银电池的容量逐渐降低，不同的锌银电池也会因工艺、环境等诸多因素的影响，在使用后期出现容量偏差。持续充电使用，会导致该偏差不断累积。在使用后期，部分电池容量降低，容量消耗完后继续放电时，通过消耗电解液，实现电流的持续导通，但当电解液消耗至极板以下时，电池内部极化严重，此时的极板组相当于一个阻值不断增大的发热电阻。由焦耳定律[式(1)]可知，持续大电流通过时，电池内部急剧发热，会形成局部高温。高温会熔穿电池隔膜、壳壁，同时将绝缘油碳化，并伴随部分碱液泄漏，造成绝缘油发黑和绝缘电阻下降[6]。

Q=I2·R·t

(1)

式(1)中：Q为热量；I为电流；R为电阻；t为时间。

导致单体电池容量降低的原因主要有：①该故障单体电池已处于湿态寿命后期，在正常充电之后，因微短路自放电较大，导致容量下降较多。锌银电池使用的隔膜，应在-15～35 ℃具有抗高浓度强碱、在强氧化剂作用下保持稳定，能阻止锌枝晶向正极生长以及胶体银移动到负极等性能。目前，锌银电池采用的水化纤维素膜，虽能在一定程度上满足上述要求，但随着时间的延长和循环次数的增加，自正极开始逐层被氧化，同时锌枝晶继续增长，导致内部出现微短路，并持续消耗电池容量。②单体电池在潜水器倾斜或摇摆时，由于电解液面较低，上部极板及隔膜被绝缘油污染，进一步影响电池的容量。

综上所述，锌银电池容量降低后，继续大电流放电，引起电池发热而烧熔，并导致绝缘问题，是此次故障的主要原因。

2.3 故障影响

此次故障是一次较为典型的载人潜水器锌银电池问题，也是锌银电池使用寿命后期出现概率较大的现象，应在深海装备应用中引起高度重视。此次故障在紧急处理后尚能保障装备使用，但也需考虑可能引起的其他影响。

单体电池问题多，不是偶发现象，反映了整体电池组的技术性能有欠缺。单体电池出现的问题，会严重影响深海装备的水下供电绝缘，导致其他电池组出现大电流放电、容量快速降低等问题，影响装备能源储备，降低水下能源安全冗余；单体电池问题引发的整体电池组故障，会影响潜水器相关联供电设备，导致运行异常，使深海装备在水下的部分功能缺失；单体电池引起的绝缘问题，会导致在海水环境中形成电化学反应，加速潜水器部分金属部件的腐蚀，影响结构安全和水下密封等。

3 载人潜水器锌银电池故障改进措施

针对此类锌银单体电池故障，应从设计、使用、维护等多方面进行提升改进，提高使用效率，降低故障发生率。

3.1 优化改进整体设计

采用大深度锌银耐压电池工艺，优化电池外形及透气帽形式，可减少电解液量非正常降低；采用正极辅助隔膜、负极活性电沉积锌粉等工艺，增强隔膜的抗银迁移和抑制锌枝晶生长能力。通过优化设计，可提高锌银电池的整体性能。

3.2 优化制作工艺流程

优化锌银电池的制作工艺流程(见图4)，提升成品的质量水平，可降低微短路发生的概率。对制作工艺进行全面梳理，严格执行极板压制、烧结后浮粉检查制度，加强对浮粉颗粒的控制，杜绝有浮粉的极板下转使用，重点关注工艺中的质量控制[7]。

图4 锌银电池生产流程

3.3 加强日常管理与维护

在严格按照锌银电池维护与保养的规定说明执行外，需要加强日常管理与维护，包括：定期进行电解液量检查、电压检查，及时补充电解液；锌银电池在载人潜水器上的使用经验表明，多只串联组合的电池组，在电池箱内不同位置，电池的环境温度差异较大，电池组中心处和外围的单体电池，环境温差可达15～20 ℃。为减少高温对电池性能的影响，可在电池组使用一段时间后，调换单体电池的位置，以均衡单体电池之间的性能；长时间充电作业后，可对电池组进行全放电操作，以均衡单体电池之间的容量偏差；锌银电池使用寿命中期，需进行中期维护，着重检查电解液的情况，确保液位高于极板位置，保障电池容量；电池组使用过程中，需定期对充满电的电池进行荷电搁置检查，确保荷电搁置24 h后，单体电池开路电压满足规定值。

4 结论

锌银电池作为一种稳定的能源供给方式，是载人潜水器等深海装备的重要系统组成之一。在深海中的应用，因高压、温度、绝缘等因素的影响，与陆上应用存在很大的不同。

加强对锌银电池在深海应用中的研究，尤其是对典型故障情况的研究，有助于更好地认识锌银电池在深海应用中面临的挑战，总结探索出高效使用锌银电池的方法和技巧，为锌银电池在其他深海装备上的使用提供帮助和参考。