大功率锂电池：提供更高的性能、寿命和可靠性

　　几十年来，能够为长寿命的一次性军事应用提供高速率功率的电池几乎没有变化。现在，新一代大功率锂电池已经上市，提供独特的性能，功能，包括更高的容量和能量密度，可靠性，瞬时激活和COTS优势。

　　在嵌入式计算机和半导体制造进步的推动下，长寿命一次性军用/航空航天系统正在迅速发展，新一代产品提供改进的功能、小型化和增强的产品可靠性，以及更高的性能期望。这适用于各种一次性军事产品，包括迫击炮制导系统，火箭，导弹，鱼雷，地雷，声纳浮标，无人值守的地面传感器，无人机和分散弹药传感器等。

　　美国国防部意识到电池性能的限制可能会造成扼杀新产品开发的潜在瓶颈，因此最近确定需要能够为一次性军事应用提供可靠电力的新一代大功率，长寿命电池是一个需要解决的“关键问题”。

　　对解决方案的探索导致了新的COTS大功率锂电池技术的开发，该技术具有超长的保质期和强大的性能，以前只有备用电池或热电池才能获得。建议设计工程师进行适当的尽职调查，并将这种新的高度可靠的COTS锂电池与旧的电池技术进行比较，以确保实现最佳的系统性能。

　　查看选项

　　以下电池化学成分中的前三种通常用于为长期一次性军事应用供电;然而，大功率锂电池现在也是一个值得考虑的选择：

　　备用电池和热电池

　　银锌电池

　　自旋激活电池

　　大功率锂电池

　　对这些竞争技术的简要回顾突出了每种电池化学成分的潜在优缺点。

　　备用电池和热电池

　　储备电池传统上被认为是一次性军事应用的首选电池，包括许多不同的化学物质，包括锂亚硫酰氯，银锌，铅酸和热。

　　使用备用电池，电解质与其他活性成分分开储存，通常使用烟火装置来引发化学反应。活性成分保持分离，因此保持惰性，从而有可能具有20年以上的极长保质期。然而，存在重大的权衡，因为备用电池不能在不耗尽的情况下进行测试，并且电池激活会延迟到发生化学反应。

　　一种流行的备用电池类型是热电池，它含有一种金属盐电解质，该电解质在固态和环境温度下是惰性的和非导电的。然而，当金属盐电解质熔化时，它会迅速转化为优异的离子导体，在相对较短的时间间隔内产生高速率功率（从几瓦到几千瓦，具体取决于电池尺寸和化学性质）。电解质通常由哑炮送出的烟火电荷激活。

　　长期以来，设计工程师一直首选热电池，因为它们具有坚固性、安全性、可靠性和极长的保质期。然而，由于使用哑炮以及需要将电解质保持在400¬∞C至700¬C以达到最佳导电性 ∞，热电池本质上是笨重的，因为它们必须包含绝缘层，这些绝缘层具有双重目的，既可以保持热量，又可以保护附近的组件免受与热量相关的损坏。

　　银锌电池

　　一次性军事设备也可以由银锌电池供电，银锌电池的制造相对复杂，因为它们需要气体发生器，管状电解质储液器，歧管，电池块，通风口和加热系统。因此，银锌电池往往相对昂贵，并且需要较长的生产交货时间。由于能量密度相对较低，仅为260 Wh / L，这些电池也存在性能限制。

　　自旋激活电池

　　军用引信和某些海洋应用通常由自旋激活电池供电，这些电池将电解质储存在安瓿或膀胱内。当射出弹丸时，囊被切开，电解质通过旋转壳产生的离心力分布在整个电池堆中。自旋激活电池也使用锂亚砜酰氯化学制造，为地雷或通信干扰器供电。这些装置由装有降落伞的炮弹推进，以确保软着陆。

　　旋转激活电池的常见应用是火炮多选项引信（MOFA），见于105毫米和155毫米爆破火炮弹。为了寻求更标准化的电源管理解决方案，美国国防部考虑了各种化学品，选择瓧卤化锂而不是铅酸和热电池。相比之下，与等效的恶卤化锂电池相比，高功率锂电池可以提供超过六倍的容量（200 mAh对30 mAh），超过十倍的电流（3.5 A对325 mA），更稳定的电压和更快的激活（瞬时与100 ms延迟）。

　　大功率锂电池

　　已经开发出一种大功率锂电池，它使用广泛接受的COTS技术来提供高电流脉冲和高速率能量，存储寿命长达20年，室温下的年自放电率不到1%。这些电池单元提供三种标准圆柱形配置（AA 尺寸、CR-2 尺寸和 20 mm 长度）。其中一个例子是Tadiran的AA尺寸TLM-1550-HP电池，它包括4.0 V开路电压和2瓦时的总能量，能够在3.2 V时提供15 A电流脉冲以及5 A最大连续电流。这些电池可以很容易地配置成定制的电池组，由于使用了COTS组件，因此可以更快地设计和制造周期，并降低成本。

　　大功率锂电池的属性包括宽温度范围（-40¬∫C至+85¬∫C）和即时激活，无需点火或气体发生器。对电池进行定期测试的能力有助于确保系统准备就绪，并减少导弹制导系统中“哑弹”的数量。当激活时，大功率锂电池不会产生高内部温度，从而消除了隔热需求。这反过来又减轻了重量，并实现了更小的外形尺寸。通过消除对点火器、气体发生器和外部加热元件的需求，还可以实现尺寸、重量和成本的降低。

　　大功率锂电池应用示例

　　以下示例演示了大功率锂电池在增强一次性军用系统中使用的电源管理系统的性能和 COTS 互操作性方面的潜力。

　　ODAM 60毫米迫击炮制导系统：在DARPA的光学定向攻击弹药（ODAM）项目下，BAE系统公司开展了一项开发和集成计划，以证明激光制导的低成本60毫米迫击炮弹的可行性。BAE系统公司选择了CR-2尺寸的大功率锂电池来为系统的激光引导光学导引头供电。选择这些电池而不是CR-2消费型电池，因为它们能够在极冷的环境（-40¬∞C）下工作，保质期延长四倍（20年对5年）。

　　无人机：无人机正被驻伊拉克和阿富汗的美国武装部队广泛用于无人空中侦察。高功率锂电池目前也被用于制造节省重量和空间的电池组，为无人机上的应急回收系统提供动力。图1显示了一个32 V/480 W电池组，由96个AA大小的大功率锂电池组成，能够在-30¬∫C下提供高达120瓦时的功率，重量约为2 Kg（包括其金属外壳）。由于采用了COTS技术，因此电池组可以很容易地重新配置到其他无人机应用中。

　　为导弹系统供电：以前由19个银锌电池组成的电池组供电的空对地导弹的制导系统可以转换为由24个高功率锂电池组成的电池组。24个电池组的尺寸减小了30%，重量减轻了75%（2.2 Kg与0.5 Kg），能量密度提高了约3.5倍。高功率锂电池组通过消除对银锌电池组所需的点火、气体发生器和加热器的需求，进一步减少了占地面积。

　　新一代电池为未来提供动力

　　新一代低成本 COTS 大功率锂电池为长寿命一次性军事应用提供了灵活性。这包括在具有挑战性的环境条件下延长保质期、提高性能和增强 COTS 产品可靠性的潜力。建议设计工程师在改造现有军事设备或开发下一代军用产品时，根据现有电池技术仔细评估这项新技术。

　　审核编辑：郭婷