国外水中装备用锂电池发展综述

周德鑫， 任 斌， 王 晟

（海军装备部，北京100841）

国外水中装备用锂电池发展综述

周德鑫， 任 斌， 王 晟

（海军装备部，北京100841）

综述了水中装备用锂原电池及锂离子蓄电池的应用实例，认为随着对水中装备用锂离子电池研究的不断深入，电池的比能量、可靠性和循环寿命等性能的不断提高，锂电池在水中装备领域必将有广阔的应用前景。

锂原电池；锂离子蓄电池；水中兵器

水中装备电源按用途主要分为两类：一类是动力电池，为常规动力潜艇、潜艇模拟器、水下运载器和鱼水雷提供水下航行的动力，一般要求电池具有较长时间大功率输出的特性；另一类是其他用途的电池，主要为仪表，引信以及水中兵器装备的启动、调姿提供电力，如潜艇和水下运载器的照明，热动力鱼水雷的启动和引爆，潜射导弹的导引和飞行控制以及各类装备仪表的供电等。水中装备电源最主要的两大领域为鱼雷电源和潜艇电源。这些电源早期大都为铅酸蓄电池。随着科学技术的发展。鱼雷、潜艇对航速、航程、潜深性能的要求的提高，迫切要求具有高比能量、高比功率的电池作为它们的电源。

锂电池作为动力电池在水下环境中应用，最初是从小型的UUV开始的，随着高倍率性能和安全性的不断提高，逐步应用于鱼雷等水中装备的推进上。目前，锂离子电池在操雷上的应用已日趋成熟，有逐渐取代锌银电池的趋势。与锌银电池相比，锂电池在比能量、循环及湿储存寿命、制造和维护成本方面都具有绝对的优势。锂电池在水中装备方面取得了越来越广泛的应用。

1 锂原电池应用

H.P.Kim等人试制的560 W Li/SOCl2电池采用了独特的结构设计 (见图1)，每个单体间由5对列板式并联的电极组成，电极的面积为100 cm2，单体的有效反应面积900 cm2，单体间采用双极性的连接方式，无需额外的连接件。电池的负极采用93%的shawingan碳和7%的特氟龙制成。以50 A的电流工作时，单体电压在3 V以上。电池已通过了振动、冲击和加速度等力学测试和高低温放电、湿储存、高倍率放电(50 A)等测试，目前主要的工作集中在减重和缩小体积上。

美国水下作战中心试制的用于AUV的大型Li/SOCl2电池，由24个单体串联组成，分为三个模块，每个模块8个单体。单体电池容量1 200 Ah，电极面积1 300 cm2，以38 A的电流工作时，单体电压可以达到3.3～3.45 V。电池段直径533 mm，长1 320 mm，总功率2 800 W。电池本体比能量可以达到463 Wh/kg，电池段比能量308 Wh/kg。

美国亚德尼公司为声纳浮标试制的Li/SOCl2电池用于大功率脉冲放电。电池采用双极性结构，阴极采用比表面积60 m2/g和比表面积>1 000 m2/g的高比表面积碳粉混合压制，正负极间采用玻璃纤维隔离，单体间采用热塑性材料密封，电解质为1.6 mol/L的LiGaCl4。电池直径267 mm，长度914 mm，由150个单体串联组成(单体电池功率71.4 W)，工作电压300～500 V，脉冲电流25 A(电流密度50 mA/cm2)，脉冲宽度1～20 s，最小间隔400 s。脉冲宽度小于20 ms时，电池可以承载400 mA/cm2的电流密度，比功率可以达到4 190 W/kg。

图1 电池结构

2 锂离子电池应用

2.1 鱼雷电源用锂离子电池

锂离子电池作为动力电池在水下环境中有着广泛应用，随着高倍率性能和安全性的不断提高，逐步应用于鱼雷等水中兵器的推进上。

新型的电动鱼雷无论是轻型 (如MU90)还是重型 (如黑鲨)，其航速都要求达到50 kn。因此轻型鱼雷所需功率大于100 kW，重型鱼雷所需功率约250～300 kW。而鱼雷能给电池提供的长度有限，由于锌银二次电池与铝/氧化银电池的比能差别，若用锌银电池，不能满足高速时功率要求。这种情况下只能缩短航行时间，但航行时间太短会影响操练的效果。锂离子电池电压约是锌银电池的2.3倍，质量和体积比能量分别是锌银电池的1.5倍和1.3倍，能较好满足训练要求。另一方面，锂离子操雷电池的循环寿命为50～100次 (因放电倍率高，循环次数较普通锂离子电池少)，锌银电池的循环寿命为5～10次，锂离子动力电池每瓦时价格已降至0.35$，远低于锌银电池。可以显著降低训练费用，优势十分明显。

亚德尼公司为轻型鱼雷开发的75 kW锂离子电池，工作电压300 V，由100只25Ah的方型电池组成，分为5个模块，每个模块20个单体。单个电池模块可以在63 V下以250 A连续放电，5个模块放电时，温升大约30℃(初始温度20℃)。电池比功率可以达到650 W/kg，使用寿命为8～10年，可充放电200次，可通过鱼雷壳体上的接口直接充放电。电子控制装置可实现充放电时的安全互锁。目前美国正在研发第2代电池，进一步提高电池高速率放电能力，减小电池组的电压降，提高寒冷天气条件下的启动能力。

SAFT公司制造的电池组300 kW重型鱼雷电池比能量可以达到93.75 Wh/kg。该公司在UUV、鱼雷、SDV、SRV、小型潜艇等锂离子动力电池的开发设计上都有较强的技术储备，有能量型至功率型的多种型号的电池模块，可针对不同能量和功率的需求加以组合，如表1所示。

表1 SAFT公司锂电模块

2.2 潜艇用锂离子电池

潜艇一直是电源技术发展的动力。新的电源技术反过来也不断推进着潜艇的能力。法国造船企业DCNS，准备为其“鮋鱼”级潜艇装备最新一代的理电池。为了使电池能够顺利集成到潜艇上并安全使用，DCNS已与电池的生产厂家SAFT公司合作进行了数年的设计开发及制模工作。SAFT负责把锂电池组合成电池模块。然后把电池模块连同必要的控制电子装置和软件一起集成到电池系统，为潜艇提供动力。DCNS称，使用新电池能使“鮋鱼”级潜艇高速行驶时的水下续航时间翻倍，提高航程，增加安全性，且仅需很少的保障时间。

SAFT已经为海军的能量储存系统开发并测试了一个基于VL45E锂电池技术，包含40个电池的模型。VL45E电池阳极为石墨制，阴极为一氧化镍制。使用的电解池为碳酸溶液与锂六氟磷酸盐的混合物。电池高222 mm，宽54 mm，重约1.1 kg。在速率为C/3时的电容为45 Ah，比能量为160 Wh/kg。根据VL45E设计的两组电池模型分别为M0和M1。M0由40个电池组成，提供141 Wh/kg的能量。M1也由40个电池组成，提供180Wh/kg的能量。与铅酸电池相比，该锂电池能接受高强度电流充电。在潜艇低速或高速行驶时都能提供稳定的能量。

根据DCNS的评估，在潜艇作战中该电池能够承担约320 g的水雷爆炸冲击力，不会受损。在建模及实际测试中该电池组已承受了30～150 g的冲击，没有受损。VL45E高容量电池可反复充电超过4000次。在应用于“鮋鱼”级潜艇时，电池模块将被平行连接形成电池组。108组为一系列，以获得所需的电压水平。

同样的能源储存解决方案还被应用到了柴电潜艇上。德国HDW船厂和电池生产厂家GAIA也合作生产了一种锂电池，容量约为500 Ah。电池由数层薄薄的锡箔卷起制成，密封在不锈钢圆柱形容器中。与DCNS/SAFT轻型，低容量电池解决方案不同。HDW/GAIA的电池长约210 mm，直径170 mm，总重17 kg。电池比能量达到360 Wh/kg。充电效能达到98%。每套电池设备由两个电池组组成。每个电池组包含18个电池串。电池串则是由若干电池模块组成。HDW的电池控制系统(BMS)能够严密监视电池的运作，衡量每组电池的电压水平，每组模块的温度。一旦需要，BMS会关掉有坏电池的模块所在的电池串，将性能损失降至最低。

根据估算，假如一艘潜艇服役15年，预计电池要充电1000～3500次。这主要取决于任务的数量和种类，放电深度及电池尺寸。从这个意义上来说，DCNS希望其采用的电池组在15年的使用之后仍能达到至少80%的满额充电量。锂电池的感应电流有效性是100%，没有记忆效应。因此电池可随意部分充电或放电，也不需要刻意的维护保养。

DCNS和HDW都认识到锂电池技术是存在一定风险的。过度充电，温度过高和短路都可能导致电池损坏，甚至发生爆炸。为保证安全，DCNS的设计提供了热隔离功能。这样邻近的电池就不会受到过热的影响，以次阻止整个模块发生热连锁反应。

HDW则认为，锂电池的另外一项缺陷是短路电流过高。这就要求对潜艇推进系统的布局进行再考虑。使用超快反应引信能把电池串和推进系统隔离开来。或许HDW在以后的电路中会考虑使用更简单紧凑的开关系统。另外GAIA也指出，新型锂电池的造价几乎是传统铅酸电池的3倍，有些过于昂贵了。

但是，由于锂电池系统在作战中几乎不用维护保养。使用寿命更长达10～15年。与铅酸电池系统的7或8年使用寿命相比，这无疑抵消了其昂贵的造价带来的阴影。而且铅酸电池保养设备所需的放置空间也可以被节省出来另作他途。同时，由于保养需求下降，与铅酸电池相关的其他系统，如电解质搅拌系统和水冷却循环系统等，都可以移除。从而节省相当可观的支出。

对于不依赖空气推进(AIP)潜艇，锂电池也是很好的选择。AIP装置能够为潜艇提供低速时的水下续航力，锂电池则能为水下潜艇提供高速时的冲击力。而以前的铅酸电池是无法做到这一点的。另外由于锂电池所具备的高能量密度和高效能，潜艇在作战时的下潜自主性也可得到很大提高。根据DCNS的说法，使用锂电池的潜艇在海上能够使用其名义能量中的95%。而由于铅酸电池的充电状态不稳，其在海上能够使用的实际能量从未超过名义能量的60%。就“鮋鱼”级潜艇而言，使用锂电池之后其下潜自主性在低速时提高75%，高速时可提高约200%。HDW则声称使用了锂电池的214型潜艇在低下潜速度，低能量需求时下潜自主性提高近150%，高下潜速度，高能量需求时自主性提高达到400%。

3 展望

锂电池由于其高的能量密度和较高的单电池电压，在水中装备领域的研究和应用正受到越来越广泛的关注。国外对水中装备用锂离子电池的研究起步较早，较多研究成果已见报道，并已成功应用，随着对水中装备用锂离子电池研究的不断深入，电池的比能量、可靠性和循环寿命等性能的不断提高，锂离子电池在水中兵器领域必将有广阔的应用前景[1-2]。

[1]徐曼珍.新型蓄电池原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[2]许占位.酞菁配合物对锂-亚硫酰氯电池正极的催化作用[J].电化学,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，主要研究方向为水中装备电池保障。