國外水中裝備用鋰電池發(fā)展綜述

周德鑫， 任 斌， 王 晟

（海軍裝備部，北京100841）

國外水中裝備用鋰電池發(fā)展綜述

周德鑫， 任 斌， 王 晟

（海軍裝備部，北京100841）

綜述了水中裝備用鋰原電池及鋰離子蓄電池的應(yīng)用實例，認為隨著對水中裝備用鋰離子電池研究的不斷深入，電池的比能量、可靠性和循環(huán)壽命等性能的不斷提高，鋰電池在水中裝備領(lǐng)域必將有廣闊的應(yīng)用前景。

鋰原電池；鋰離子蓄電池；水中兵器

水中裝備電源按用途主要分為兩類：一類是動力電池，為常規(guī)動力潛艇、潛艇模擬器、水下運載器和魚水雷提供水下航行的動力，一般要求電池具有較長時間大功率輸出的特性；另一類是其他用途的電池，主要為儀表，引信以及水中兵器裝備的啟動、調(diào)姿提供電力，如潛艇和水下運載器的照明，熱動力魚水雷的啟動和引爆，潛射導彈的導引和飛行控制以及各類裝備儀表的供電等。水中裝備電源最主要的兩大領(lǐng)域為魚雷電源和潛艇電源。這些電源早期大都為鉛酸蓄電池。隨著科學技術(shù)的發(fā)展。魚雷、潛艇對航速、航程、潛深性能的要求的提高，迫切要求具有高比能量、高比功率的電池作為它們的電源。

鋰電池作為動力電池在水下環(huán)境中應(yīng)用，最初是從小型的UUV開始的，隨著高倍率性能和安全性的不斷提高，逐步應(yīng)用于魚雷等水中裝備的推進上。目前，鋰離子電池在操雷上的應(yīng)用已日趨成熟，有逐漸取代鋅銀電池的趨勢。與鋅銀電池相比，鋰電池在比能量、循環(huán)及濕儲存壽命、制造和維護成本方面都具有絕對的優(yōu)勢。鋰電池在水中裝備方面取得了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 鋰原電池應(yīng)用

H.P.Kim等人試制的560 W Li/SOCl2電池采用了獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計 (見圖1)，每個單體間由5對列板式并聯(lián)的電極組成，電極的面積為100 cm2，單體的有效反應(yīng)面積900 cm2，單體間采用雙極性的連接方式，無需額外的連接件。電池的負極采用93%的shawingan碳和7%的特氟龍制成。以50 A的電流工作時，單體電壓在3 V以上。電池已通過了振動、沖擊和加速度等力學測試和高低溫放電、濕儲存、高倍率放電(50 A)等測試，目前主要的工作集中在減重和縮小體積上。

美國水下作戰(zhàn)中心試制的用于AUV的大型Li/SOCl2電池，由24個單體串聯(lián)組成，分為三個模塊，每個模塊8個單體。單體電池容量1 200 Ah，電極面積1 300 cm2，以38 A的電流工作時，單體電壓可以達到3.3～3.45 V。電池段直徑533 mm，長1 320 mm，總功率2 800 W。電池本體比能量可以達到463 Wh/kg，電池段比能量308 Wh/kg。

美國亞德尼公司為聲納浮標試制的Li/SOCl2電池用于大功率脈沖放電。電池采用雙極性結(jié)構(gòu)，陰極采用比表面積60 m2/g和比表面積>1 000 m2/g的高比表面積碳粉混合壓制，正負極間采用玻璃纖維隔離，單體間采用熱塑性材料密封，電解質(zhì)為1.6 mol/L的LiGaCl4。電池直徑267 mm，長度914 mm，由150個單體串聯(lián)組成(單體電池功率71.4 W)，工作電壓300～500 V，脈沖電流25 A(電流密度50 mA/cm2)，脈沖寬度1～20 s，最小間隔400 s。脈沖寬度小于20 ms時，電池可以承載400 mA/cm2的電流密度，比功率可以達到4 190 W/kg。

圖1 電池結(jié)構(gòu)

2 鋰離子電池應(yīng)用

2.1 魚雷電源用鋰離子電池

鋰離子電池作為動力電池在水下環(huán)境中有著廣泛應(yīng)用，隨著高倍率性能和安全性的不斷提高，逐步應(yīng)用于魚雷等水中兵器的推進上。

新型的電動魚雷無論是輕型 (如MU90)還是重型 (如黑鯊)，其航速都要求達到50 kn。因此輕型魚雷所需功率大于100 kW，重型魚雷所需功率約250～300 kW。而魚雷能給電池提供的長度有限，由于鋅銀二次電池與鋁/氧化銀電池的比能差別，若用鋅銀電池，不能滿足高速時功率要求。這種情況下只能縮短航行時間，但航行時間太短會影響操練的效果。鋰離子電池電壓約是鋅銀電池的2.3倍，質(zhì)量和體積比能量分別是鋅銀電池的1.5倍和1.3倍，能較好滿足訓練要求。另一方面，鋰離子操雷電池的循環(huán)壽命為50～100次 (因放電倍率高，循環(huán)次數(shù)較普通鋰離子電池少)，鋅銀電池的循環(huán)壽命為5～10次，鋰離子動力電池每瓦時價格已降至0.35$，遠低于鋅銀電池?？梢燥@著降低訓練費用，優(yōu)勢十分明顯。

亞德尼公司為輕型魚雷開發(fā)的75 kW鋰離子電池，工作電壓300 V，由100只25Ah的方型電池組成，分為5個模塊，每個模塊20個單體。單個電池模塊可以在63 V下以250 A連續(xù)放電，5個模塊放電時，溫升大約30℃(初始溫度20℃)。電池比功率可以達到650 W/kg，使用壽命為8～10年，可充放電200次，可通過魚雷殼體上的接口直接充放電。電子控制裝置可實現(xiàn)充放電時的安全互鎖。目前美國正在研發(fā)第2代電池，進一步提高電池高速率放電能力，減小電池組的電壓降，提高寒冷天氣條件下的啟動能力。

SAFT公司制造的電池組300 kW重型魚雷電池比能量可以達到93.75 Wh/kg。該公司在UUV、魚雷、SDV、SRV、小型潛艇等鋰離子動力電池的開發(fā)設(shè)計上都有較強的技術(shù)儲備，有能量型至功率型的多種型號的電池模塊，可針對不同能量和功率的需求加以組合，如表1所示。

表1 SAFT公司鋰電模塊

2.2 潛艇用鋰離子電池

潛艇一直是電源技術(shù)發(fā)展的動力。新的電源技術(shù)反過來也不斷推進著潛艇的能力。法國造船企業(yè)DCNS，準備為其“鮋魚”級潛艇裝備最新一代的理電池。為了使電池能夠順利集成到潛艇上并安全使用，DCNS已與電池的生產(chǎn)廠家SAFT公司合作進行了數(shù)年的設(shè)計開發(fā)及制模工作。SAFT負責把鋰電池組合成電池模塊。然后把電池模塊連同必要的控制電子裝置和軟件一起集成到電池系統(tǒng)，為潛艇提供動力。DCNS稱，使用新電池能使“鮋魚”級潛艇高速行駛時的水下續(xù)航時間翻倍，提高航程，增加安全性，且僅需很少的保障時間。

SAFT已經(jīng)為海軍的能量儲存系統(tǒng)開發(fā)并測試了一個基于VL45E鋰電池技術(shù)，包含40個電池的模型。VL45E電池陽極為石墨制，陰極為一氧化鎳制。使用的電解池為碳酸溶液與鋰六氟磷酸鹽的混合物。電池高222 mm，寬54 mm，重約1.1 kg。在速率為C/3時的電容為45 Ah，比能量為160 Wh/kg。根據(jù)VL45E設(shè)計的兩組電池模型分別為M0和M1。M0由40個電池組成，提供141 Wh/kg的能量。M1也由40個電池組成，提供180Wh/kg的能量。與鉛酸電池相比，該鋰電池能接受高強度電流充電。在潛艇低速或高速行駛時都能提供穩(wěn)定的能量。

根據(jù)DCNS的評估，在潛艇作戰(zhàn)中該電池能夠承擔約320 g的水雷爆炸沖擊力，不會受損。在建模及實際測試中該電池組已承受了30～150 g的沖擊，沒有受損。VL45E高容量電池可反復充電超過4000次。在應(yīng)用于“鮋魚”級潛艇時，電池模塊將被平行連接形成電池組。108組為一系列，以獲得所需的電壓水平。

同樣的能源儲存解決方案還被應(yīng)用到了柴電潛艇上。德國HDW船廠和電池生產(chǎn)廠家GAIA也合作生產(chǎn)了一種鋰電池，容量約為500 Ah。電池由數(shù)層薄薄的錫箔卷起制成，密封在不銹鋼圓柱形容器中。與DCNS/SAFT輕型，低容量電池解決方案不同。HDW/GAIA的電池長約210 mm，直徑170 mm，總重17 kg。電池比能量達到360 Wh/kg。充電效能達到98%。每套電池設(shè)備由兩個電池組組成。每個電池組包含18個電池串。電池串則是由若干電池模塊組成。HDW的電池控制系統(tǒng)(BMS)能夠嚴密監(jiān)視電池的運作，衡量每組電池的電壓水平，每組模塊的溫度。一旦需要，BMS會關(guān)掉有壞電池的模塊所在的電池串，將性能損失降至最低。

根據(jù)估算，假如一艘潛艇服役15年，預(yù)計電池要充電1000～3500次。這主要取決于任務(wù)的數(shù)量和種類，放電深度及電池尺寸。從這個意義上來說，DCNS希望其采用的電池組在15年的使用之后仍能達到至少80%的滿額充電量。鋰電池的感應(yīng)電流有效性是100%，沒有記憶效應(yīng)。因此電池可隨意部分充電或放電，也不需要刻意的維護保養(yǎng)。

DCNS和HDW都認識到鋰電池技術(shù)是存在一定風險的。過度充電，溫度過高和短路都可能導致電池損壞，甚至發(fā)生爆炸。為保證安全，DCNS的設(shè)計提供了熱隔離功能。這樣鄰近的電池就不會受到過熱的影響，以次阻止整個模塊發(fā)生熱連鎖反應(yīng)。

HDW則認為，鋰電池的另外一項缺陷是短路電流過高。這就要求對潛艇推進系統(tǒng)的布局進行再考慮。使用超快反應(yīng)引信能把電池串和推進系統(tǒng)隔離開來?；蛟SHDW在以后的電路中會考慮使用更簡單緊湊的開關(guān)系統(tǒng)。另外GAIA也指出，新型鋰電池的造價幾乎是傳統(tǒng)鉛酸電池的3倍，有些過于昂貴了。

但是，由于鋰電池系統(tǒng)在作戰(zhàn)中幾乎不用維護保養(yǎng)。使用壽命更長達10～15年。與鉛酸電池系統(tǒng)的7或8年使用壽命相比，這無疑抵消了其昂貴的造價帶來的陰影。而且鉛酸電池保養(yǎng)設(shè)備所需的放置空間也可以被節(jié)省出來另作他途。同時，由于保養(yǎng)需求下降，與鉛酸電池相關(guān)的其他系統(tǒng)，如電解質(zhì)攪拌系統(tǒng)和水冷卻循環(huán)系統(tǒng)等，都可以移除。從而節(jié)省相當可觀的支出。

對于不依賴空氣推進(AIP)潛艇，鋰電池也是很好的選擇。AIP裝置能夠為潛艇提供低速時的水下續(xù)航力，鋰電池則能為水下潛艇提供高速時的沖擊力。而以前的鉛酸電池是無法做到這一點的。另外由于鋰電池所具備的高能量密度和高效能，潛艇在作戰(zhàn)時的下潛自主性也可得到很大提高。根據(jù)DCNS的說法，使用鋰電池的潛艇在海上能夠使用其名義能量中的95%。而由于鉛酸電池的充電狀態(tài)不穩(wěn)，其在海上能夠使用的實際能量從未超過名義能量的60%。就“鮋魚”級潛艇而言，使用鋰電池之后其下潛自主性在低速時提高75%，高速時可提高約200%。HDW則聲稱使用了鋰電池的214型潛艇在低下潛速度，低能量需求時下潛自主性提高近150%，高下潛速度，高能量需求時自主性提高達到400%。

3 展望

鋰電池由于其高的能量密度和較高的單電池電壓，在水中裝備領(lǐng)域的研究和應(yīng)用正受到越來越廣泛的關(guān)注。國外對水中裝備用鋰離子電池的研究起步較早，較多研究成果已見報道，并已成功應(yīng)用，隨著對水中裝備用鋰離子電池研究的不斷深入，電池的比能量、可靠性和循環(huán)壽命等性能的不斷提高，鋰離子電池在水中兵器領(lǐng)域必將有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。

[1]徐曼珍.新型蓄電池原理與應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[2]許占位.酞菁配合物對鋰-亞硫酰氯電池正極的催化作用[J].電化學,2007,13(3):293-296.

Review on lithium batteries for underwater weapons

ZHOU De-xin,REN Bin,WANG Sheng

The applications of primary lithium batteries and rechargeable lithium-ion batteries for underwater weapons were reviewed.It is proposed that with the increase of specific energy,reliability and cycle performance of batteries, lithium batteries will has a broad application prospect in underwater weapons.

primary lithium batteries;underwater weapon

TM 912

A

1002-087 X(2015)04-0846-03

2014-09-10

周德鑫（1977—），男，吉林省人，本科，主要研究方向為水中裝備電池保障。