高能量鋰金屬氧化物電池

認識到電池技術的局限將最終導致新產品開發的瓶頸，美國特種部最近確認了對新一代高能量、長壽命電池的迫切需求。通過對理想電源管理解決方案的研究，Tadiran公司的科學家開發出了TLM系列電池，這是一系列高能量的鋰金屬氧化物電池，目前使用在各種各樣的特種和特種航天應用之中。這種新一代的高能量鋰電池因其性能屬性而引起了特種/特種航天設計工程師們的極大興趣，比如超長的貯存期、高速率電能、瞬間激活以及在極限環境條件下較高的生存性。

下面將簡要描述在特種/特種航天應用中常用的電池化學機制。

貯備電池和熱電池

貯備電池包含了范圍很廣的化學物質，包括鉛酸、銀-鋅和鋰亞硫酰氯。在所有貯備電池中，電解質與其他有效成分分開存儲并保持著其惰性，直到有煙火裝置被用于啟動化學反應。

熱電池是最受歡迎的貯備電池類型，它使用金屬鹽電解質，而后者在固態和環境溫度下呈惰性，且不導電。這種電池由爆竹激活，后者會帶來煙火充電，導致電解質在400～700℃的溫度范圍內繼續融化，從而使電池達到最佳的導電性。一旦激活，熱電池就會在相對較短的時間內釋放出高速率的電能，提供從幾瓦到幾千瓦的連續電流，電流的大小取決于電池的大小和化學機制。

熱電池提供了某些優勢，包括耐久性、安全性、可靠性和較長的貯存期。不過，這種類型的電池也具有固有的局限性，因為貯備/熱電池不能在電池未完全耗盡的情況下進行測試，而且電池的激活要推遲到化學反應開始的時刻。

另一項主要缺點是，熱電池一定是體積相對較大的，需要采用保溫層來保持熱量以便激活的電解質能夠保持融解，并保護周圍零件不受熱損傷。熱電池是專門為一次性應用而設計的。

銀鋅電池

銀鋅電池的設計更復雜，制造成本更高，需要燃氣發生器、管狀電解質貯存器、歧管、電池塊、排氣口和加熱系統。因此，銀鋅電池需要更長的生產交付周期，而且因為它的能量密度低（260Wh/L），所以會帶來性能限制。

旋轉激活電池

旋轉激活電池通常用于引信和某些船舶應用，它將電解質存儲在小瓶或囊狀物中，當自動推進武器啟動后，小瓶或囊狀物被割開，旋轉外殼的離心力會將電解質分散到整個電池組中。旋轉激活電池是專門為一次性應用而設計的。

使用鋰亞硫酰氯化學物質生產的旋轉激活電池現在被用于給子雷和通信干擾機供電，后者采用配備有降落傘的炮彈來推進以確保軟著陸。

旋轉激活電池也被部署在多功能火炮引信（Multi-OptionFusesforArtillery，MOFA）應用中，包括105和155mm的爆炸式火炮射彈。為尋求一種標準化的解決方案，美國特種部最近決定使用鋰氧化物/鹵化物電池代替鉛酸或熱電池，為最新一代的MOFA供電。如果這些MOFA裝置采用大功率鋰金屬氧化物電池供電，而不是鋰氧化物/鹵化物化學機制，就可以實現顯著的性能優勢，包括容量增大7倍（200mAh和30mAh），電流增大超過10倍（達到3.5A，之前為325mA），電壓將更穩定，而激活速度將更快（可以瞬時激活，而之前為100ms的延遲量）。

圖2特種/特種航天電池必須提供高速率電能、瞬間激活以及在極限環境條件下較高的生存性

鋰二氧化硫

鋰二氧化硫（LiSO2）電池幾乎僅用于特種/特種航天應用，主要涉及到移動通信設備和背負式電臺。這些電池的使用壽命有限，而能量密度則不到鋰亞硫酰氯電池的一半。在那些需要連續數小時的高速率電能的應用中，LiSO2電池將提供最佳的性能。

可充電特種電池

由于移動的需要，特種應用主要依賴于一次電池，但可充電電池也被部署在各式各樣的戰場應用之中，比如背負式電臺和探測器。使用可充電電池的缺點包括需要獲取電能，并且需要合適的充電時間。

近些年，可充電電池技術取得了顯著的進展。最早的密封式鉛酸可充電電池使用壽命相對較短、容量較低且重量過于沉重，而新一代的NiCd、NiMH和鋰離子電池則提供了更大的容量、更輕的重量以及更長的工作壽命。可充電電池技術繼續發展，引入了適用于低溫應用的可充電電池，而LiNiCoAl、LiFePO和LiNiMnCo等化學物質則提供了更高的能量密度和更好的安全性。

高能量鋰金屬氧化物電池

最近，Tadiran推行了TLM特種級高能量鋰金屬氧化物電池，它使用COTS技術來提供大電流脈沖和高速率電能，而且具有長達20年的保存期限，因為在室溫下它每年的自放電速率小于1%。這些電池目前有3種標準的圓柱形規格（AA尺寸，CR-2尺寸和20mm長度），另外AAA尺寸（10mm）的電池也即將問世。這種高能量電池也可以很容易地配置成電池組，以滿足客戶的特定需求；因為它們使用COTS部件，所以產品設計和生產周期都可以實現快速調整，從而節省大量成本。

鋰金屬氧化物電池能提供多達2Wh的電能，具有4V的額定電壓，135～500mAh的放電容量，能夠處理5A的連續脈沖和最高15A的大電流脈沖。這些電池采用基于碳的陽極結構，多金屬氧化物陰極，有機電解質和關閉隔離板，以提高安全性。這些電池還具有極低的自放電，很寬的工作溫度范圍（40～85℃），其震動、沖擊、溫度沖擊、鹽霧、高度、加速度（50000gn）和旋轉（30000rpm）性能遵從美特種810G。這些電池的擠壓、碰撞、針刺、加熱、過充電和短路性能也遵從UN1642和IEC60086標準，可以作為安全貨物來運輸。

高能量鋰金屬氧化物電池不會像熱電池那樣在內部產生很高的溫度，因此不需要隔熱層，從而顯著縮減了尺寸、重量和成本，特別是與銀鋅電池相比，后者需要爆竹，燃氣發生器和外部加熱元件。

與熱/貯備電池和旋轉激活電池不同，高能量鋰金屬氧化物電池支持瞬間激活，不需要爆竹或燃氣發生器。這些電池也可以進行定期測試，以確保系統準備就緒，從而減少了特種特種系統中“啞彈”的數量。這些電池的電量可以間歇性地獲取，所以它們不限于一次性應用。