幾十年來，能夠?yàn)殚L壽命的一次性軍事應(yīng)用提供高速率功率的電池幾乎沒有變化。現(xiàn)在，新一代大功率鋰電池已經(jīng)上市，提供獨(dú)特的性能，功能，包括更高的容量和能量密度，可靠性，瞬時(shí)激活和COTS優(yōu)勢。

在嵌入式計(jì)算機(jī)和半導(dǎo)體制造進(jìn)步的推動(dòng)下，長壽命一次性軍用/航空航天系統(tǒng)正在迅速發(fā)展，新一代產(chǎn)品提供改進(jìn)的功能、小型化和增強(qiáng)的產(chǎn)品可靠性，以及更高的性能期望。這適用于各種一次性軍事產(chǎn)品，包括迫擊炮制導(dǎo)系統(tǒng)，火箭，導(dǎo)彈，魚雷，地雷，聲納浮標(biāo)，無人值守的地面傳感器，無人機(jī)和分散彈藥傳感器等。

美國國防部意識(shí)到電池性能的限制可能會(huì)造成扼殺新產(chǎn)品開發(fā)的潛在瓶頸，因此最近確定需要能夠?yàn)橐淮涡攒娛聭?yīng)用提供可靠電力的新一代大功率，長壽命電池是一個(gè)需要解決的“關(guān)鍵問題”。

對解決方案的探索導(dǎo)致了新的COTS大功率鋰電池技術(shù)的開發(fā)，該技術(shù)具有超長的保質(zhì)期和強(qiáng)大的性能，以前只有備用電池或熱電池才能獲得。建議設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋M職調(diào)查，并將這種新的高度可靠的COTS鋰電池與舊的電池技術(shù)進(jìn)行比較，以確保實(shí)現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

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以下電池化學(xué)成分中的前三種通常用于為長期一次性軍事應(yīng)用供電;然而，大功率鋰電池現(xiàn)在也是一個(gè)值得考慮的選擇：

備用電池和熱電池

銀鋅電池

自旋激活電池

大功率鋰電池

對這些競爭技術(shù)的簡要回顧突出了每種電池化學(xué)成分的潛在優(yōu)缺點(diǎn)。

備用電池和熱電池

儲(chǔ)備電池傳統(tǒng)上被認(rèn)為是一次性軍事應(yīng)用的首選電池，包括許多不同的化學(xué)物質(zhì)，包括鋰亞硫酰氯，銀鋅，鉛酸和熱。

使用備用電池，電解質(zhì)與其他活性成分分開儲(chǔ)存，通常使用煙火裝置來引發(fā)化學(xué)反應(yīng)。活性成分保持分離，因此保持惰性，從而有可能具有20年以上的極長保質(zhì)期。然而，存在重大的權(quán)衡，因?yàn)閭溆秒姵夭荒茉诓缓谋M的情況下進(jìn)行測試，并且電池激活會(huì)延遲到發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

一種流行的備用電池類型是熱電池，它含有一種金屬鹽電解質(zhì)，該電解質(zhì)在固態(tài)和環(huán)境溫度下是惰性的和非導(dǎo)電的。然而，當(dāng)金屬鹽電解質(zhì)熔化時(shí)，它會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為優(yōu)異的離子導(dǎo)體，在相對較短的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生高速率功率（從幾瓦到幾千瓦，具體取決于電池尺寸和化學(xué)性質(zhì)）。電解質(zhì)通常由啞炮送出的煙火電荷激活。

長期以來，設(shè)計(jì)工程師一直首選熱電池，因?yàn)樗鼈兙哂袌?jiān)固性、安全性、可靠性和極長的保質(zhì)期。然而，由于使用啞炮以及需要將電解質(zhì)保持在400?∞C至700?C以達(dá)到最佳導(dǎo)電性 ∞，熱電池本質(zhì)上是笨重的，因?yàn)樗鼈儽仨毎^緣層，這些絕緣層具有雙重目的，既可以保持熱量，又可以保護(hù)附近的組件免受與熱量相關(guān)的損壞。

銀鋅電池

一次性軍事設(shè)備也可以由銀鋅電池供電，銀鋅電池的制造相對復(fù)雜，因?yàn)樗鼈冃枰獨(dú)怏w發(fā)生器，管狀電解質(zhì)儲(chǔ)液器，歧管，電池塊，通風(fēng)口和加熱系統(tǒng)。因此，銀鋅電池往往相對昂貴，并且需要較長的生產(chǎn)交貨時(shí)間。由于能量密度相對較低，僅為260 Wh / L，這些電池也存在性能限制。

自旋激活電池

軍用引信和某些海洋應(yīng)用通常由自旋激活電池供電，這些電池將電解質(zhì)儲(chǔ)存在安瓿或膀胱內(nèi)。當(dāng)射出彈丸時(shí)，囊被切開，電解質(zhì)通過旋轉(zhuǎn)殼產(chǎn)生的離心力分布在整個(gè)電池堆中。自旋激活電池也使用鋰亞砜酰氯化學(xué)制造，為地雷或通信干擾器供電。這些裝置由裝有降落傘的炮彈推進(jìn)，以確保軟著陸。

旋轉(zhuǎn)激活電池的常見應(yīng)用是火炮多選項(xiàng)引信（MOFA），見于105毫米和155毫米爆破火炮彈。為了尋求更標(biāo)準(zhǔn)化的電源管理解決方案，美國國防部考慮了各種化學(xué)品，選擇瓧鹵化鋰而不是鉛酸和熱電池。相比之下，與等效的惡鹵化鋰電池相比，高功率鋰電池可以提供超過六倍的容量（200 mAh對30 mAh），超過十倍的電流（3.5 A對325 mA），更穩(wěn)定的電壓和更快的激活（瞬時(shí)與100 ms延遲）。

大功率鋰電池

已經(jīng)開發(fā)出一種大功率鋰電池，它使用廣泛接受的COTS技術(shù)來提供高電流脈沖和高速率能量，存儲(chǔ)壽命長達(dá)20年，室溫下的年自放電率不到1%。這些電池單元提供三種標(biāo)準(zhǔn)圓柱形配置（AA 尺寸、CR-2 尺寸和 20 mm 長度）。其中一個(gè)例子是Tadiran的AA尺寸TLM-1550-HP電池，它包括4.0 V開路電壓和2瓦時(shí)的總能量，能夠在3.2 V時(shí)提供15 A電流脈沖以及5 A最大連續(xù)電流。這些電池可以很容易地配置成定制的電池組，由于使用了COTS組件，因此可以更快地設(shè)計(jì)和制造周期，并降低成本。

大功率鋰電池的屬性包括寬溫度范圍（-40?∫C至+85?∫C）和即時(shí)激活，無需點(diǎn)火或氣體發(fā)生器。對電池進(jìn)行定期測試的能力有助于確保系統(tǒng)準(zhǔn)備就緒，并減少導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中“啞彈”的數(shù)量。當(dāng)激活時(shí)，大功率鋰電池不會(huì)產(chǎn)生高內(nèi)部溫度，從而消除了隔熱需求。這反過來又減輕了重量，并實(shí)現(xiàn)了更小的外形尺寸。通過消除對點(diǎn)火器、氣體發(fā)生器和外部加熱元件的需求，還可以實(shí)現(xiàn)尺寸、重量和成本的降低。

大功率鋰電池應(yīng)用示例

以下示例演示了大功率鋰電池在增強(qiáng)一次性軍用系統(tǒng)中使用的電源管理系統(tǒng)的性能和 COTS 互操作性方面的潛力。

ODAM 60毫米迫擊炮制導(dǎo)系統(tǒng)：在DARPA的光學(xué)定向攻擊彈藥（ODAM）項(xiàng)目下，BAE系統(tǒng)公司開展了一項(xiàng)開發(fā)和集成計(jì)劃，以證明激光制導(dǎo)的低成本60毫米迫擊炮彈的可行性。BAE系統(tǒng)公司選擇了CR-2尺寸的大功率鋰電池來為系統(tǒng)的激光引導(dǎo)光學(xué)導(dǎo)引頭供電。選擇這些電池而不是CR-2消費(fèi)型電池，因?yàn)樗鼈兡軌蛟跇O冷的環(huán)境（-40?∞C）下工作，保質(zhì)期延長四倍（20年對5年）。

無人機(jī)：無人機(jī)正被駐伊拉克和阿富汗的美國武裝部隊(duì)廣泛用于無人空中偵察。高功率鋰電池目前也被用于制造節(jié)省重量和空間的電池組，為無人機(jī)上的應(yīng)急回收系統(tǒng)提供動(dòng)力。圖1顯示了一個(gè)32 V/480 W電池組，由96個(gè)AA大小的大功率鋰電池組成，能夠在-30?∫C下提供高達(dá)120瓦時(shí)的功率，重量約為2 Kg（包括其金屬外殼）。由于采用了COTS技術(shù)，因此電池組可以很容易地重新配置到其他無人機(jī)應(yīng)用中。

為導(dǎo)彈系統(tǒng)供電：以前由19個(gè)銀鋅電池組成的電池組供電的空對地導(dǎo)彈的制導(dǎo)系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換為由24個(gè)高功率鋰電池組成的電池組。24個(gè)電池組的尺寸減小了30%，重量減輕了75%（2.2 Kg與0.5 Kg），能量密度提高了約3.5倍。高功率鋰電池組通過消除對銀鋅電池組所需的點(diǎn)火、氣體發(fā)生器和加熱器的需求，進(jìn)一步減少了占地面積。

新一代電池為未來提供動(dòng)力

新一代低成本 COTS 大功率鋰電池為長壽命一次性軍事應(yīng)用提供了靈活性。這包括在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下延長保質(zhì)期、提高性能和增強(qiáng) COTS 產(chǎn)品可靠性的潛力。建議設(shè)計(jì)工程師在改造現(xiàn)有軍事設(shè)備或開發(fā)下一代軍用產(chǎn)品時(shí)，根據(jù)現(xiàn)有電池技術(shù)仔細(xì)評估這項(xiàng)新技術(shù)。

審核編輯：郭婷