锂离子动力电池应用于深潜救生艇的可行性分析

2018-03-25卢北虎胡棋威

船电技术 2018年5期

关键词：救生艇铅酸负极

卢北虎，刘飞，金鑫，胡棋威，裴波

卢北虎，刘飞，金鑫，胡棋威，裴波

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

本文通过对锂离子电池动力电池的原理及主要特性的分析，结合深潜救生艇用动力电池的特殊使用环境和需求，论证了锂离子动力电池在深潜救生艇上的适用条件和应用可能性。结果表明锂离子电池作为深海救生艇的动力电池完全可行，并具有非常好的应用前景。

锂离子动力电池深潜救生艇可行性

0 引言

潜艇因其优异的技术战术性能，成为当今各大军事强国重点发展的武器装备。然而，潜艇自身由于设备复杂且水下操作难度高等原因，存在失事风险。据不完全统计，截止20世纪90年代末，在国外，就有495起非战斗事故发生，造成84艘潜艇失事沉没，包括核潜艇7艘(其中就有美国海军最先进的攻击型核潜艇——“长尾鲨”号，该艇于1963年4月失事沉没)[1]。进入21世纪，潜艇失事沉没也时有发生，如2000年9月，在巴伦支海域演习的俄罗斯“库尔斯克”核潜艇失事沉没。自潜艇问世以来，如何对失事潜艇进行有效救援，是各军事强国急需解决的问题[2]。

一般来说，援潜救生方式分为自救（主动式）和救援（被动式）两种方式[3]。研究表明，艇员自救逃生的最大深度为200米。此外还需经过严格训练才有可能逃生[4]。目前，绝大多数具有潜艇救援能力的国家采用的援潜救生策略都是援救方式，个别少数情况时采用自救方式[5]。救援装备有深潜救生艇、潜水钟、遥控潜器、减压舱、援潜救生船等。国际上自1979年至今的若干次重大演习证明，与其它援救装备相比，深潜救生艇因具有更好的救援性能，已成为今后潜艇救生发展的主要方向[6]。

深潜救生艇属于高技术装备，它是一种人工操纵的、可在水下机动航行的潜水装置（类似一种微型潜艇）[7]，通常由电池系统、动力定位系统、操纵控制系统、液压或电力推进系统、通讯导航系统等组成。在艇体的下方，一般设有对接裙口，可以与失事潜艇的救生平台对接，从而实施艇员的转移。深潜救生艇的优势在于能够在常压下营救失事艇艇员，无需减压过程，而且救生深度大，适应性强，机动性好[1]。

电池系统是深潜救生艇的关键组成之一。有人将电池比作深潜救生艇的“心脏”，电池能够为水下作业提供能源保障。电池的技术水平直接与水下装备的技术指标、技术水平、质量、可靠性等有关[8]。

电池的比能量是水下装备航程的表征，比功率则是速度和加速度的表征。由于肩负援潜救生的重要使命，深潜救生艇对其装载的动力电池提出了更高的要求，要求其具有高航速、长航程等特点。当前，深潜救生艇采用的动力电池主要是铅酸电池，但是其存在能量密度低、充电效率低、自放电能量损失大、循环寿命短等缺点，而且其改进和提高的空间有限。随着世界各国对动力电池技术研发的持续投入，已提出了多种可能替代铅酸电池的高能动力电池。由于具有能量密度高、循环寿命长、绿色环保等诸多优点，锂离子电池在众多可替换的动力电池中备受青睐[9]。新能源电动汽车是锂离子动力电池当前最热门的应用领域。世界著名汽车厂商如美国福特、日本丰田、韩国现代等都积极投入力量进行锂离子电池的研发[10]。因此，如若能在车用技术研究的基础上加以改进，进而扩展应用到深潜救生艇上，将极大提升深潜救生艇的动力性能，增强援潜救生能力。

1 锂离子电池概述

1.1 锂离子电池

锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。在放电过程中，锂离子从负极中脱出，向正极中嵌入；充电过程中则相反，锂离子从正极中脱出，而向负极中插入[11]。

锂离子电池一般由正极、负极、电解质和隔膜构成。正极材料一般由锂的活性化合物（如LiCoO2、Li2MnO4、LiNixCo1-2xMnxO2以及LiFePO4等）组成。负极材料可采用具有特殊分子结构的碳材料（石墨、硬碳）、氧化物、Li4Ti5O12等[9]。电解质通常使用锂盐的有机溶液，也可采用聚合物或无机固体电解质。隔膜材料一般使用聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三层结构，也可以选择数种不同组成的材料[12]。由于选择的多样性，可以根据用户对电池不同的需求特性来设计，这种“普适性”使得锂离子电池具有比其它电池更广泛的应用。

1.2 锂离子电池的主要特点

锂元素是元素周期表中标准电极电位最低、密度最小的金属元素，锂元素的理论比容量高达3860 mAh/g[11]。此外，锂离子电池独特的反应原理造就了其相比于其它电池的巨大优势。

1）体积和质量比能量高，这是锂离子电池的最大优势。与传统深海救生艇用的动力电池如铅酸电池相比[12]，锂离子电池无论是体积比能量，还是质量比能量都是其三倍以上。

2）平均输出电压高，一般为3.6 V，是镍镉和镍氢电池的三倍。

3）放电性能好。锂离子电池可大电流放电，输出功率大。工作期间的放电量受工况影响变化幅度小。

4）工作温度范围宽（-20oC～+50oC），特殊应用条件下期望值为（-40oC～+60oC）的温度范围内工作[13]。

5）无记忆效应，循环寿命长（500～1000 次）[10]。锂离子电池的每月自放电率通常小于10%，几乎免维护[11]。此外，锂离子电池无需进行深度放电与周期治疗，可有效地减轻艇员的工作量，同时也可缩短深潜救生艇的准备时间，提高救援能力。

6）无环境污染。传统的铅酸电池由于存在重金属铅，对在生产、使用和回收过程中易产生大量重金属污染，不仅严重破坏生态环境，并会导致人体健康状况的恶化[9]。锂离子电池材料中不存在有毒物质，被成为“绿色电池”，切合深海救生艇对海洋环境的保护性要求。

1.3 锂离子电池的发展历史和应用现状

锂离子电池的发展速度在所有电池体系中是最快的。锂离子电池的研究始于20世纪80年代，从1991年6年日本索尼公司推出第一块商业化的锂离子电池至今，短短数十年内，随着新的电池材料的研制成功以及电池设计技术的不断改进，锂离子电池在电池容量、比能量及性能方面有了显著的提高，它有很大潜力可以作为各种二次电源的替代品，这使得其在电动汽车、储备电源、便携式设备、卫星等领域具有广阔的应用前景[12]。新能源电动汽车是锂离子动力电池目前最热门的应用领域。在我国，随着新能源汽车政策的牵引，锂离子动力电池行业不断发展，市场前景广阔。此外，锂离子动力电池依靠其高比能、长寿命等性能在军事领域也有着广泛的应用[13]。在美国，锂离子电池已成为美军标准电池系列之一。

2 锂离子动力电池用于深潜救生艇的可行性分析

考虑到深潜救生艇的特殊应用环境和需求，锂离子动力电池替代传统的铅酸电池等成为深潜救生艇的动力电池，必须满足适用性、安全可靠性和经济性三个方面的基本要求。

2.1 锂离子动力电池用于深潜救生艇的适用性分析

目前，锂离子动力电池的质量比能量已达到130 Wh/kg，体积比能量达到350 Wh/L，这两项指标都已是铅酸电池的三倍以上，这一显著优势有利于实现深潜救生艇的总容量要求。相比铅酸电池，锂离子电池在同等体积下能够储存更多的能量同时重量也得到了减轻。因此，在同等的装艇条件下，锂离子动力电池替代铅酸电池，将极大地提高深潜救生艇的续航力。

此外，锂离子动力电池的输出电压高，能够进行瞬时大电流放电，在工作期间能够进行10 C左右的放电，而铅酸电池不宜进行6C以上放电。充放电效率高，可到100%，而且可快速充电，可以实现1C～3C充电（即20 min～1 h内充电完毕）。因此，深潜救生艇采用锂离子电池作为动力电池将具有更强的机动性，更快的反应速度。

2.2 锂离子动力电池用于深潜救生艇的安全性和可靠性分析

锂离子电池由正极、负极和电解液等组成。目前正极材料中磷酸铁锂的安全性和耐高温特性良好，已经在电动汽车上广泛应用。但是商用磷酸铁锂的容量已经接近理论容量。相信随着制备工艺的不断改进，正极材料的安全性能将进一步得到提高。对负极材料而言，目前常用的碳类负极材料存在安全隐患，原因是此类材料在高温下易与电解液反应而产生可燃气体，从而引起燃烧或爆炸。非碳类负极材料中，钛酸锂以其独特的“零应变”、长寿命等优点成为安全性负极材料的首选。此外，对于电解液来说，选择沸点高、熔点低、分解电压高的有机溶剂是提升锂离子电池的安全性能的重要途径之一。另外，研发不可燃的电解液也是一个有效途径[10]。

此外，对于电池管理系统而言，锂离子电池的稳态开路电压与其荷电状态（SOC）是一一对应关系，基于此，可通过增加均衡电路使得每个单体之间的电压差在一定范围之内。电池管理系统通过对电池模块、电压、电流等的实时监控，可以有效地对电池组进行能量管理，从而保证电池组更加安全和可靠地工作[9]。

3 结语

从锂离子电池的性能特性以及相关的研究来看，锂离子电池非常适用于深海救生艇等援潜装备。能够满足这类装备的安全要求，对改善和提高未来援潜救生装备的性能具有非常显著的作用。尽管目前锂离子动力电池的研究已经取得了重大进展，并成功应用于一些动力型水下装备中。但是未来还需加强锂离子电池材料的研发、电池设计、电池管理等多项关键技术的突破，为将来深海援潜救生装备的发展提供有力的技术支撑。

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