代松 黄叔梅 方海鹏
贵州梅岭电源有限公司 贵州遵义 563003
摘要：社会经济快速发展，人们对热电池的需求显著提高。热电池的应用比较广泛，无论是武器系统还是航空领域的应用都必须确保确保热电池的安全性能。近年来不少研究者加大力度研究热电池安全性问题，取得了一定的成效，进一步提高了热电池的安全性。热电池安全性的主要受热量设计、单体电池和电堆结构等因素影响，为了进一步提高热电池安全性设计，本文主要从热量设计方法、保温设计、单元电池设计三个不同方面分析。
关键词：热电池；安全性；影响因素；设计方法
热电池属于一次性热激活储备电源的一种，激活速度快、可靠性高、可储存的时间更长、无需维护等。一般情况下热电池不导电，但受到外界影响下能量被激活时开设输出电能，内部温度可迅速上升为500℃。这时各类故障频繁发生，如热失控、短路等，若内部温度高达700~800℃，直接影响了武器的安全性能，不仅损坏武器设备，还可能给人员生命安全造成威胁。目前世界上针对热电池安全性设计方面还未形成统一标准，本文主要分析了热电池安全性的设计要点，以期为热电池设计工作提供借鉴。
1 热电池的安全性的影响因素
1.1热量设计
热量设计直接决定了热电池是否可以正常工作，设计的过程中电池热容量和电池内部初始温度也已经确定，其不仅关乎电池的热寿命，更关乎到热电池热安全性，但热设计时必须进行针对性考虑，热电池类型不同，采取的热设计方法也不同[1]。确保热电池电性能的前提下若热量设计以及热量分布不合理，则热电池安全性较低。热量分布设计直接影响了电池的峰值、激活时间、电性能和峰值电压等，最终对热电池安全性产生直接影响。体系内具有较高的热量设计，电池热失控问题比较突出，化学物质快速发生反应，热电池安全问题也由此产生。热量设计不高对热电池性能不达标等产生直接影响，当前阶段广大科研工作中必须加大力度研究科学的热量设计方法，提高热量设计的合理性。
1.2单体电池和电堆结构
从单体电池的结构分析，主要包含两个，一个是三合一结构，另一个是四合一结构。前者组成结构包含电解质粉、阻流环、镍网、正负极粉等；后者组成结构包含正极粉、铁加热粉、电解质粉等，从结构上分析，其制造工艺更佳简单，且内阻更小，具有较好的检测性能，可作为热电池单体电池结构首选。装配单体电池之前除了检验其外观之外还需要检验绝缘电阻，确保使用的电池的合格性[2]。
大功率、寿命较长的热电池电堆结构均为外装式。热电池电堆组成包含加热片、集流体、单体电池等，在具体的设计过程中必须全面考虑保温设计、内部电路设计以及绝缘设计等问题。热电池安全性影响因素较多，如单体电池装配不当、电力设计不合理等，若出现单体电池绝缘电阻不合格或热量较高等问题，热电池故障也因此产生，比较直接的问题为输出电压短路或不正常等，对热电池安全性故障产生直接影响。
2热电池的安全性设计方法
2.1热量设计方法
热体系放出的热量中电池内部温度必须控制在热电池工作温度范围中，这是设计热电池容量应遵循的原则，也就是说热容量和电容量设计两个方面的匹配问题[3]。通常情况下，寿命较低的热电池对热容量设计方面的要求不高，设计热电池时必须全面考虑热电池容量，满足电容量设计的基础上设计相匹配的热容量。而寿命中长的热电池对热容量设计方面的要求较高，设计热电池时必须对电池热容量进行考虑，满足热容量设计的基础上匹配电容量的设计问题，如有必要可通过牺牲热电池电容量的方式实现更大的热容量。在具体的设计工作中主要通过热比系数衡量热量，热比系数较高，热电池出现热失控的概率更高，而热比系数较低的热电池电池性能偏低，需要设计人员在设计热电池热量时合理控制热电池安全热比系数。化学体系不同，安全热比值范围也不同，确定热比系数的确定可借助不同高低温环境实验考核确定，在考核热电池热设计合理性时主要通过高温空载等实验考核。
2.2保温设计
探讨热电池安全性设计时必须分析电堆周边的保温设计，在具体的设计工作中必须将相关指标控制在规定范围内[4]。在具体的工作中要注意避免电堆温度超过规定范围，否则热电池性能就会受高温影响。分析热电池的具体应用情况可知，必须以热电池运行时间长短为依据，选择符合实际情况的材料，保证所用的材料厚度符合相关的保温要求。设计人员在保温设计工作中应全面考虑散热问题，尽可能将热电池控制在合理范围内，且提高其稳定性，避免出电池内部受热电池内部温度较高影响出现不可控的情况。目前，在成本等因素影响下我国热电池保温设计主要以石棉纸为原材料。
2.3单元电池设计
单元电池主要包含单体电池和单堆结构及其装配两个方面。首先，单体电池设计。这部分设计工作中必须考虑配方成型压力、合理性以及电极材料等问题。在具体的制造时通常要对单体电池的绝缘组和外观等进行检验，确保外观合格且绝缘电阻在30MΩ以上，装配热电池时必须保证其合格性[5]。其次，单堆结构及其装配。应保证电堆结构与电路安全基本原理相符合，检查确认外部输出设计以及内部设计是否合理。装配时必须保证电堆串联单体电池极性保持一致，将集流元件完整的安装，不可出现漏装问题。选用符合要求的电堆绝缘电阻，使静电压处于正常范围内，合理设置上下保温问题，避免单体电池受到温度较高影响出现电解质渗出问题引发电堆短路。
结束语
目前广大研究者们对热电池安全性方面的设计问题还未形成统一标准，在设计过程中必须加大探讨力度，提高设计内容的合理性。为此，设计工作人员还必须加大研究力度，对热电池安全性设计进行优化，只有这样才能保证在使用热电池的过程中不会出现安全问题，才能对整个热电池行业的发展起到推动作用。
【参考文献】
[1]段其智, 孟剑, 罗莉,等. 热电池的安全性设计策略研究[J]. 化工中间体, 2019(7):60-61.
[2]吴启兵, 向斌, 魏俊华,等. 多孔氧化镁对热电池安全性能的影响[J]. 电源技术, 2019, 43(11):1855-1859.
[3]樊龙龙. 热电池的安全性设计探讨[J]. 山东工业技术,2016(7):220-221.
[4]Ashok Lahiri, Nirav Shah, Cameron Dales. 制造安全性和密度更高的锂离子电池[J]. 科技纵览, 2018(3):34-39.
[5]余春辉. 热电池的绝缘性设计分析[J]. 科教导刊, 2013(27):42-43.