摘要：现阶段，随着热电池技术的发展，其应用领域拓展到机上应急电源上，作为机上应急电源，使用过程中可能存在正负极短路的情况，热电池工作过程中，若出现外部线路短路，可能会引起热电池内部短路，热电池内部短路时会出现电池壳体融穿、流液的故障。出现该故障后会影响到其他设备正常工作，或者对飞机本体造成破坏，不易修复，故机上应急电源提出了在正负极短路情况下热电池不能融穿、流液的使用要求。
关键词：热电池；安全性设计；策略研究
引言
随着热电池在武器系统应用领域的不断扩展,热电池作为武器系统重要的能源,热电池的性能不断提升,更长寿命、更大电流成为热电池的发展方向。这些性能提升也对其使用安全性提出了更高的要求,本文从设计角度分析了影响热电池安全性的因素,并就安全性设计进行了探讨,为今后热电池的安全性设计提供参考。
1概述
热电池是一种被广泛应用于军事领域的一次贮备电池。由于采用了常温下不导离子的固态碱金属卤素盐作电解质，热电池在未激活态下不具备电能输出能力，其工作时，加热组件燃烧放热，使固态电解质熔融成液态离子导体，热电池激活并持续放电。从上述工作原理可知，热电池的工作过程可分解为激活阶段与放电阶段，其中，激活阶段涉及的物理化学过程包括加热组件燃烧、传热、电解质相变、电解质流动、电极/电解质界面演变和结构变化等，放电阶段主要涉及电极/电解质界面反应、传质、传热、电解质相变、各类自生热和结构变化等。因此，热电池工作过程的物理化学图像非常复杂，给设计带来极大难度。为提高热电池设计可靠性、降低研发成本、提升研发效率，仿真技术已然成为热电池设计技术的发展主流，越来越受到相关研制单位的重视。目前，国内外针对热电池仿真技术的研究囊括激活模型建立、放电模型建立、物性参数测试以及仿真设计平台开发等，这些工作对该领域的发展起到了良好的促进作用，为后续研究思路的梳理提供了支撑。2014年，马晶晶等学者已较为系统地综述了热电池仿真技术的研究进展，但近几年该领域发展迅速，有必要进行更为全面的梳理和总结。
2基于正极材料评价分析过程能力指数的应用分析
在对热电池进行制备工序的过程中，最为主要一个工序就是正极材料制备工序，通过对正极材料进行评价和分析，在很大程度上可以将热电池各工序在制备工序过程中的能力水平进行充分的反映。正极材料中物理特性在实际控制过程中，需要先检测松装的密度，而正极材料中的电性能特性在控制过程中需要先检测峰值的电压进，在检测完成之后，在对其进行有效的控制，在检验过程中，以考核为主要的检验标准。
2.1电性能检测
正极材料、电解质、负极对于所采用的标准非常严格，首先，在正极材料上二硫化铁正极是主要的成分；其次，电解质其主要是以三元全锂电解质为主，最后，在负极方面主要是采用LiSi合金。在采集放电数据和放电过程中，放电主要用直流电子负载器，要想更好的对放电数据进行采集，并且其数据具有一定的准确性，在采集的过程中，要采用Nicolet数据采集仪进行采集。
2.2松装密度检测
现制造准备一个二硫化铁正极材料，并在测试仪中放入二硫化铁正极材料。对其进行称重时，一定要采用电子天平对其进行沉重，其要为精度0.0001g。
3优化措施分析
3.1设计热容量
设计热电池热容量的原则就是热体系在运行过程中，释放的热量可以确保电池内部温度始终都处于电池在正常工作的范围内，设计热电池的热容量必需要与电容量相匹配。
通常来说，寿命较短的热电池容量相对来说都比较小，在设计热电池时，要对热电池的电容量进行充分考虑，在热电池的容量可以满足设计的基础上，对电池热容量的设计情况进行匹配；而对于中长寿命的热电池，在设计热容量时，应适当牺牲热电池容量，通过该方式换取更大的热容量，从而提高热电池的性能。在具体设计期间，通常都通过热比系数对热量的设计情况进行衡量，如果热比系数过低，会对热电池的应用性能造成影响，而热比系数过高，则会导致热电池在应用过程中，内部热失控，可见，在设计热电池中的热量时，热比系数必须在安全范围内。针对不同的化学体系来说，热比系数的差异性较大，同时，不同的环境也会对热比系数造成影响，在具体设计过程中，通常要通过电池高温空载和低温全负载试验对其热比系数进行确定。
3.2热电池物性参数研究进展
物性参数与仿真模型相辅相成，两者共同决定了仿真的功能和精度，热电池仿真所需参数主要分为热特性参数、电特性参数、流动参数和结构参数。热特性参数主要包括密度、比热容、导热系数、相变温度、相变热、燃速和发热量等，这些参数通常随着温度和材料成分的改变而变化。Haimovich等在其热电池仿真中考虑了密度、比热容、导热系数、相变温度和相变热随温度的变化，并给出了这些参数的温度、成分多项式表达式。较为系统地研究了热电池材料密度、比热容和导热系数随温度的变化规律，也广泛测试了点火头的激活时间、引燃条的燃速、引燃条的发热量、加热片的燃速和加热片的发热量。电特性参数主要包括反应开路电势、放电容量、交换电流密度、传递系数、电导率等。早在上世纪七八十年代，美国阿贡国家实验室、劳伦斯国家实验室和加利福利亚大学等就对FeS2、FeS正极和LiSi、LiAl负极在熔盐电解质中的电极反应机理进行了研究，明确了反应步骤、反应方程式、反应的开路电压和反应对应的理论容量。交换电流密度和传递系数是B-V方程中两个非常重要的反应动力学参数，不同反应下取值不同，但现有研究通常简化地认为各步电极反应具有相同取值，这在一定程度上增加了仿真误差。对于材料电导率，大部分研究仅给出了其随温度的变化关系式，考虑的其他影响因素很少，美国Sandia实验室的Reinholz等采用有限元仿真结合阻抗谱测试的方法，研究了热电池正极材料电导率随粒径分布、成分和压实密度的变化规律，获得了相应的量化关系。前文已提及，Sandia实验室的Robert和Long开展了热电池激活过程电解质在固体骨架中流动和固体骨架形变特性研究，给出了电解质的流动特性参数和固体骨架的部分结构力学参数。
3.3保温设计
在对热电池安全性设计策略进行探讨过程中，应当加强对电堆周围保温设计的分析，具体设计应当确保各项指标都在规定时间范围内，同时，电堆在实际工作中，温度不得超过规定范围，以免温度过高，对热电池的性能造成不良影响。在对热电池的应用情况进行分析过程中，应当依据热电池具体运行时间的长短，选择与实际情况相符的材料，同时，采用的材料厚度也要满足保温的需求。此外，进行保温设计时，还应当对散热问题进行详细考虑，从而使热电池能够尽量的稳定在一个合理的范围内，以免导致热电池内部温度过高，造成热电池内部失控。受成本因素影响，目前，我国在进行热电池保温设计过程中，在保温方面通常都利用石棉纸作为主要材料。
结语
现阶段，对于热电池安全性的具体设计，目前还没有统一的标准，在实际设计过程中，只能通过不断探讨，才能确定最终设计内容的合理性。为了确保热电池在应用时不会出现安全问题，要不断加强对该项内容的分析，从而促进整个行业的发展脚步。
参考文献
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