电液浓度对大功率锌银一次电池影响的研究

白艳燕+辛安

摘 要：在大功率锌银一次电池设计中，均采用KOH溶液作为电解液，而1.3dKOH溶液由于活性好、电导率高，因此被广泛使用。本文针对某型锌银一次电池的特点，经过理论分析和实效验证后，成功将1.4d的KOH溶液应用于某型一次电池组中，解决了某型某型锌银一次电池组在使用1.3dKOH溶液作为电解液时存在的高温放电时电液汽化、后期容量不足而导致电池组失效等难题。

关键词：锌银一次电池；KOH溶液

1 概述

作为鱼雷动力电池使用的锌银一次电池要求激活时间短，电压精度高，因此在设计时基本采用活性好，电导率高的1.3dKOH溶液作为电解液以满足一次电池高性能的要求。

某型一次电池组是我所自行研制的锌银一次电池组，不仅有着激活时间短、寿命长等特点，而且还有普通大功率锌银一次电池组所没有的电池组湿寿命6h、低温环境下不允许加热电解液等特殊要求。为满足这一苛刻的要求，我们选择了特制的隔膜作为电池隔膜，以解决上述技术要求。

虽然在使用该隔膜作为电池组隔膜后解决了电池组在低温环境下放电的技术要求，但在高温环境放电时总存在后期电性能急剧下降，电液汽化等问题。经过理论分析和实效验证后，发现主要是由于在使用1.3dKOH溶液作为电池组电解液时，在高温环境下对隔膜的腐蚀性较大。在放电后期，易出现隔膜微短路现象，导致电液汽化，从而造成容量下降迅速使电池组失效。本文提出使用1.4dKOH溶液作为该电池的电解液，既解决了电池组在高温情况下电液汽化、容量损失的问题，又不影响电池组在低温环境下的电性能。

2 实验

2.1 实验模型

在大组合实际放电过程中主要解决的是电池组因温度上升而导致隔膜微短路的问题。如果使用大组合电池组做该项实验，一是成本较高，二是加工周期较长，因而我们采用5单体的小组合槽内装3个间隔的单体电池。小组合周围使用泡沫进行保温以模拟实际电池组在放电时温升的现象，图1为模拟大组合电池组放电的小组合示意图。

2.2 试验方法

在高温情况下，小组合电池在50℃环境中恒温12h，然后在常温环境中激活后湿搁置1h，5A放电3s后，转30A放电2s，最后以13A放电5h，以模拟电池在实际大组合中的环境条件。在低温情况下，则是采用5单体槽装入5单体的小组合做自动激活试验，具体试验方法为在0℃环境中恒温12h后，在低温环境中激活，11s后加载放电，放电制度为5A放电3s后，转30A放电2s，最后以80A放电45min。

2.3 性能测试

2.3.1 高温电性能

在测试高温性能时，每个单体内部装入一热电偶用以测量单体电池内部温度，观察电池放电过程中温度变化情况，并用巡检仪记录单体电池电压变化。用温度的斜率变化情况来考察电液对隔膜的影响，用电压的变化来考察电液浓度对单体电池性能的影响。K为小组合电池在放电期间温度上升的斜率，V为其放电5h时的电压值，为放电5h的平均电压。

2.3.2 低温电性能

在激活11s后即开始放电，在放电期间，以各个放电阶段最低电压值以及电池组（折合电池组）平均电压来考察低温环境中的电性能。

3 结果与讨论

3.1 高温性能测试结果

为验证不同电液浓度对电池组电性能的影响，分别采用1.3dKOH溶液、1.4dKOH溶液作为电解液，在高温情况下进行放电对其电性能进行考察，同时测量电池内部温度变化情况。图2为高温情况下两种不同浓度电液放电时电压与温度变化曲线。表1为其内部温度上升的斜率、终止电压值V以及5h放电平均电压值V。

由图2可以看出，如果电池不出现短路现象，1.3d与1.4dKOH溶液作为电解液在电压性能方面就无明显差别，但是从电池内部温度上升的趋势来看，两者电池内部温度均为线性变化趋势，而由表1可以看出，使用1.4dKOH作为电解液的温度斜率明显低于以1.3dKOH作为电液的温度斜率。当温度急剧上升时，相应就会出现电压急剧下降的现象。以上试验说明，温度与电池在后期是否会发生微短路现象有着必然的联系。当温度达到一定程度时，对隔膜的损害就会加大，同时影响电池的电性能。而使用1.4dKOH作为电解液时则可以减少这种由于温升而造成电池微短路的情况。

3.2 低温性能测试结果

由于低温放电不存在高温情况下温度上升影响隔膜微短路的情况，因此在低温性能测试时主要考察在采用1.4dKOH溶液作为电解液后是否会影响电池在低温下的启动电压。試验由5小组合电池采用自动激活方式激活后，测量电池组在脉冲阶段最低电压值、放电终止电压及45分钟平均电压来考察其电性能情况。表2为（1.3dKOH）小组合电池低温测试各阶段放电参数。表3为（1.4dKOH）小组合电池低温测试各阶段放电参数。

通过表2、表3可以看出，在低温放电时，在采用1.4dKOH溶液作为电解液后，虽然较1.3d电性能要差一些，但仍然满足技术指标要求。因此可以说使用1.4d溶液作为电解液基本不影响某型电池组在低温情况下的电性能，同样能满足技术指标的要求。

3.3 讨论

为便于找到两种不同电液浓度对电池性能及温升产生显著差距的原因，我们对比了一下两种电液的一些基本参数并对其进行了分析，同时对放电完毕的电池进行了解剖来分析其原因。表4为其基本参数的对比情况。

在放电过程中，我们发现了一个规律性现象，凡是在使用1.3d作为电解液的单体电池，在放电至5h时，电池内部温度都超过了100℃，且在解剖后发现隔膜存在粘结锌极板的现象，同时在隔膜折叠处出现了微孔。而在使用1.4d作为电解液的单体电池中，电池内部温度最高也只达到了90.61℃。1.4d综合性能要优于1.3d电池的原因主要有两个方面，一方面1.4dKOH溶液对隔膜的腐蚀作用要弱一些，在放电后期，隔膜不会出现微短路而导致温度急剧上升的现象；另一方面1.4dKOH溶液热容较1.3dKOH溶液要高，即使存在同样的积累放电热量，电液开始汽化的时间肯定会延后，从而解决因为电液汽化致使容量损失的问题。

4 结论

本文通过对不同电液浓度下电池组温升及湿寿命的研究，找出并分析了电液浓度、电池组温升、电性能三者之间的关系。针对某型电池组的特点，使用1.4dKOH溶液作为电解液可以解决电池组在高温情况下电液汽化、后期容量不足而导致电池组失效的问题。endprint