周德鑫， 任 斌， 王 晟

（海軍裝備部，北京100841）

國(guó)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(shí)例，認(rèn)為隨著對(duì)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(lèi)：一類(lèi)是動(dòng)力電池，為常規(guī)動(dòng)力潛艇、潛艇模擬器、水下運(yùn)載器和魚(yú)水雷提供水下航行的動(dòng)力，一般要求電池具有較長(zhǎng)時(shí)間大功率輸出的特性；另一類(lèi)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(dòng)、調(diào)姿提供電力，如潛艇和水下運(yùn)載器的照明，熱動(dòng)力魚(yú)水雷的啟動(dòng)和引爆，潛射導(dǎo)彈的導(dǎo)引和飛行控制以及各類(lèi)裝備儀表的供電等。水中裝備電源最主要的兩大領(lǐng)域?yàn)轸~(yú)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(xué)技術(shù)的發(fā)展。魚(yú)雷、潛艇對(duì)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(dòng)力電池在水下環(huán)境中應(yīng)用，最初是從小型的UUV開(kāi)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(yú)雷等水中裝備的推進(jìn)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(shì)。與鋅銀電池相比，鋰電池在比能量、循環(huán)及濕儲(chǔ)存壽命、制造和維護(hù)成本方面都具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。鋰電池在水中裝備方面取得了越來(lái)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(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (見(jiàn)圖1)，每個(gè)單體間由5對(duì)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(wú)需額外的連接件。電池的負(fù)極采用93%的shawingan碳和7%的特氟龍制成。以50 A的電流工作時(shí)，單體電壓在3 V以上。電池已通過(guò)了振動(dòng)、沖擊和加速度等力學(xué)測(cè)試和高低溫放電、濕儲(chǔ)存、高倍率放電(50 A)等測(cè)試，目前主要的工作集中在減重和縮小體積上。

美國(guó)水下作戰(zhàn)中心試制的用于AUV的大型Li/SOCl2電池，由24個(gè)單體串聯(lián)組成，分為三個(gè)模塊，每個(gè)模塊8個(gè)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(shí)，單體電壓可以達(dá)到3.3～3.45 V。電池段直徑533 mm，長(zhǎng)1 320 mm，總功率2 800 W。電池本體比能量可以達(dá)到463 Wh/kg，電池段比能量308 Wh/kg。

美國(guó)亞德尼公司為聲納浮標(biāo)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(fù)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(zhǎng)度914 mm，由150個(gè)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(shí)，電池可以承載400 mA/cm2的電流密度，比功率可以達(dá)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(yú)雷電源用鋰離子電池

鋰離子電池作為動(dòng)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(yú)雷等水中兵器的推進(jìn)上。

新型的電動(dòng)魚(yú)雷無(wú)論是輕型 (如MU90)還是重型 (如黑鯊)，其航速都要求達(dá)到50 kn。因此輕型魚(yú)雷所需功率大于100 kW，重型魚(yú)雷所需功率約250～300 kW。而魚(yú)雷能給電池提供的長(zhǎng)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(shí)功率要求。這種情況下只能縮短航行時(shí)間，但航行時(shí)間太短會(huì)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(xùn)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(dòng)力電池每瓦時(shí)價(jià)格已降至0.35$，遠(yuǎn)低于鋅銀電池?？梢燥@著降低訓(xùn)練費(fèi)用，優(yōu)勢(shì)十分明顯。

亞德尼公司為輕型魚(yú)雷開(kāi)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(gè)模塊，每個(gè)模塊20個(gè)單體。單個(gè)電池模塊可以在63 V下以250 A連續(xù)放電，5個(gè)模塊放電時(shí)，溫升大約30℃(初始溫度20℃)。電池比功率可以達(dá)到650 W/kg，使用壽命為8～10年，可充放電200次，可通過(guò)魚(yú)雷殼體上的接口直接充放電。電子控制裝置可實(shí)現(xiàn)充放電時(shí)的安全互鎖。目前美國(guó)正在研發(fā)第2代電池，進(jìn)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(dòng)能力。

SAFT公司制造的電池組300 kW重型魚(yú)雷電池比能量可以達(dá)到93.75 Wh/kg。該公司在UUV、魚(yú)雷、SDV、SRV、小型潛艇等鋰離子動(dòng)力電池的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)上都有較強(qiáng)的技術(shù)儲(chǔ)備，有能量型至功率型的多種型號(hào)的電池模塊，可針對(duì)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(dòng)力。新的電源技術(shù)反過(guò)來(lái)也不斷推進(jìn)著潛艇的能力。法國(guó)造船企業(yè)DCNS，準(zhǔn)備為其“鮋魚(yú)”級(jí)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(jìn)行了數(shù)年的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)及制模工作。SAFT負(fù)責(zé)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(dòng)力。DCNS稱(chēng)，使用新電池能使“鮋魚(yú)”級(jí)潛艇高速行駛時(shí)的水下續(xù)航時(shí)間翻倍，提高航程，增加安全性，且僅需很少的保障時(shí)間。

SAFT已經(jīng)為海軍的能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)開(kāi)發(fā)并測(cè)試了一個(gè)基于VL45E鋰電池技術(shù)，包含40個(gè)電池的模型。VL45E電池陽(yáng)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(shí)的電容為45 Ah，比能量為160 Wh/kg。根據(jù)VL45E設(shè)計(jì)的兩組電池模型分別為M0和M1。M0由40個(gè)電池組成，提供141 Wh/kg的能量。M1也由40個(gè)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(qiáng)度電流充電。在潛艇低速或高速行駛時(shí)都能提供穩(wěn)定的能量。

根據(jù)DCNS的評(píng)估，在潛艇作戰(zhàn)中該電池能夠承擔(dān)約320 g的水雷爆炸沖擊力，不會(huì)受損。在建模及實(shí)際測(cè)試中該電池組已承受了30～150 g的沖擊，沒(méi)有受損。VL45E高容量電池可反復(fù)充電超過(guò)4000次。在應(yīng)用于“鮋魚(yú)”級(jí)潛艇時(shí)，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(chǔ)存解決方案還被應(yīng)用到了柴電潛艇上。德國(guó)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(zhǎng)約210 mm，直徑170 mm，總重17 kg。電池比能量達(dá)到360 Wh/kg。充電效能達(dá)到98%。每套電池設(shè)備由兩個(gè)電池組組成。每個(gè)電池組包含18個(gè)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(yán)密監(jiān)視電池的運(yùn)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(huì)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(jì)電池要充電1000～3500次。這主要取決于任務(wù)的數(shù)量和種類(lèi)，放電深度及電池尺寸。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，DCNS希望其采用的電池組在15年的使用之后仍能達(dá)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(méi)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(hù)保養(yǎng)。

DCNS和HDW都認(rèn)識(shí)到鋰電池技術(shù)是存在一定風(fēng)險(xiǎn)的。過(guò)度充電，溫度過(guò)高和短路都可能導(dǎo)致電池?fù)p壞，甚至發(fā)生爆炸。為保證安全，DCNS的設(shè)計(jì)提供了熱隔離功能。這樣鄰近的電池就不會(huì)受到過(guò)熱的影響，以次阻止整個(gè)模塊發(fā)生熱連鎖反應(yīng)。

HDW則認(rèn)為，鋰電池的另外一項(xiàng)缺陷是短路電流過(guò)高。這就要求對(duì)潛艇推進(jìn)系統(tǒng)的布局進(jìn)行再考慮。使用超快反應(yīng)引信能把電池串和推進(jìn)系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)。或許HDW在以后的電路中會(huì)考慮使用更簡(jiǎn)單緊湊的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)。另外GAIA也指出，新型鋰電池的造價(jià)幾乎是傳統(tǒng)鉛酸電池的3倍，有些過(guò)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(hù)保養(yǎng)。使用壽命更長(zhǎng)達(dá)10～15年。與鉛酸電池系統(tǒng)的7或8年使用壽命相比，這無(wú)疑抵消了其昂貴的造價(jià)帶來(lái)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(lái)另作他途。同時(shí)，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(dāng)可觀的支出。

對(duì)于不依賴(lài)空氣推進(jìn)(AIP)潛艇，鋰電池也是很好的選擇。AIP裝置能夠?yàn)闈撏峁┑退贂r(shí)的水下續(xù)航力，鋰電池則能為水下潛艇提供高速時(shí)的沖擊力。而以前的鉛酸電池是無(wú)法做到這一點(diǎn)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(shí)的下潛自主性也可得到很大提高。根據(jù)DCNS的說(shuō)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(shí)際能量從未超過(guò)名義能量的60%。就“鮋魚(yú)”級(jí)潛艇而言，使用鋰電池之后其下潛自主性在低速時(shí)提高75%，高速時(shí)可提高約200%。HDW則聲稱(chēng)使用了鋰電池的214型潛艇在低下潛速度，低能量需求時(shí)下潛自主性提高近150%，高下潛速度，高能量需求時(shí)自主性提高達(dá)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(lái)越廣泛的關(guān)注。國(guó)外對(duì)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(jiàn)報(bào)道，并已成功應(yīng)用，隨著對(duì)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(duì)鋰-亞硫酰氯電池正極的催化作用[J].電化學(xué),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?yàn)樗醒b備電池保障。