军用高倍率电池

高倍率电芯

  高倍率电池的军事应用,主要是针对战术便携装备二次用电等待时间较长、电池资源浪费、快速反应能力受制约等现状展开的。可高倍率充电锂离子电池的使用有良好的潜力和前景,但应兼顾现行体制,在巩固现役锂离子电池性价比、电路控制、安全性、高低温充放电和循环寿命等优势的基础上,合理稳妥地实现高倍率充电。

  锂离子电池逐渐成为各国军队使用的主要电池。高倍率锂离子电池不但降低了约1/3的设备负重,提高了单兵战术操作的灵活性和机动性,还可将设备的工作时间延长2~3倍,最大限度地保障了单次野外任务完成的时效性和可靠性。

  高倍率锂离子电池的充电时间(2~4h),虽然短于镉镍、氢镍及铅酸电池(5~7h),但仍不能满足战争状态下应急的需要。美军在伊拉克战争中普遍使用一次电池,避免充电问题,当天作战任务完成后,旧电池全部丢弃,换上新电池,导致战争期间电池的后勤保障强度比弹药还大。为了满足战时装备再充电等待时间(5~30min)的需要,理论上可对锂离子电池进行高倍率(5~20C)充电。

  高倍率电池材料发展的现状

  通常高倍率充电时强大的电流会导致电池漏液、起火,甚至爆炸等危险。材料的改进和发展,是电池实现高倍率充电的前提,目前商用锂离子电池多使用LiCo02作为正极材料。为了改善电池的高倍率充电和安全性能,可采用LiMn204、LifePO4、LisV2(PO4)3及三元材料LiNi⅓Co⅓ Mn⅓02、LiNi⅓Co⅓Al⅓02等作为正极材料。

  锂离子电池负极大多采用碳材料。碳材料价廉易得,但首次充电不可逆容量较高、循环性能差,不适合高倍率充电。Li4Ti5O12可作为非碳负极材料,比容量达165mAh/g,特有的尖晶石结构可提高电极的循环性能和使用寿命,使电池具备良好的耐过充、过放和安全性能,满足高倍率充电的要求。

  高倍率电池的使用定位和可行性分析

  在军事领域中,战术便携装备(如通信、指控、侦察和定位等设备)多以锂离子电池为核心供电单元,能够满足多种使用模式(手持、背负、穿戴和搬移等)下的设备用电需求。

  锂离子电池提供了3.6V、7.2V、14.4V及25.2V等4种电压等级,容量多在12Ah以下。配套的充电设备功率等级多为200W以下,充电电流为0.2C和0.5C。国外推出的可高倍率充电锂离子电池以中小功率居多,多应用于便携设备(如小型电动工具),容量从数Ah到十多Ah不等。

  可高倍率充电的锂离子电池能否与现役电池在配套特性上保持一致。高倍率充电的锂离子电池在装备配套体制上具有可行性,通过产品优化和工艺提升,能够在电气适配、接口配套和供电要求上与现役电池保持一致。

  现有充电设备不具备5~20C充电的能力,充电电流的成倍增加,不但会增加充电设备的功率、体积和质量,还会增加部队营区或野外机动平台供电容量的要求;同时,在锂离子电池具备了高倍率充电能力的前提下,电流越大,充电时间越短,越有利于部队应急任务的执行。综合上述因素,在现有供电体制的基础上,应确立充电电流的最佳值。

  以用户端交流供电容量220V/16A计算,可得出最大功率为3520W。现役充电设备的效率一般约为90%,考虑到高倍率充电时设备热损耗增加等因素,以85%效率计算的有效输出功率为2992W。对比可知,现有市电条件下最多可满足充电设备10C的工作要求。充电电流若从10C增大到20C,理论充电时间会从6min减少到3min,但设备功率增加将近一倍,给配电系统和充电设备的设计和制作带来困难。从使用角度来看,与现有充电设备0.5C充电相比,10C充电可使理论充电时间由2h缩短到6min。综上所述,锂离子电池的高倍率充电设为10C是较为可行的。

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