鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于深潛救生艇的可行性分析

盧北虎，劉 飛，金 鑫，胡棋威，裴 波

?

鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用于深潛救生艇的可行性分析

盧北虎，劉 飛，金 鑫，胡棋威，裴 波

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文通過(guò)對(duì)鋰離子電池動(dòng)力電池的原理及主要特性的分析，結(jié)合深潛救生艇用動(dòng)力電池的特殊使用環(huán)境和需求，論證了鋰離子動(dòng)力電池在深潛救生艇上的適用條件和應(yīng)用可能性。結(jié)果表明鋰離子電池作為深海救生艇的動(dòng)力電池完全可行，并具有非常好的應(yīng)用前景。

鋰離子動(dòng)力電池 深潛救生艇 可行性

0 引言

潛艇因其優(yōu)異的技術(shù)戰(zhàn)術(shù)性能，成為當(dāng)今各大軍事強(qiáng)國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的武器裝備。然而，潛艇自身由于設(shè)備復(fù)雜且水下操作難度高等原因，存在失事風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止20世紀(jì)90年代末，在國(guó)外，就有495起非戰(zhàn)斗事故發(fā)生，造成84艘潛艇失事沉沒(méi)，包括核潛艇7艘(其中就有美國(guó)海軍最先進(jìn)的攻擊型核潛艇——“長(zhǎng)尾鯊”號(hào)，該艇于1963年4月失事沉沒(méi))[1]。進(jìn)入21世紀(jì)，潛艇失事沉沒(méi)也時(shí)有發(fā)生，如2000年9月，在巴倫支海域演習(xí)的俄羅斯“庫(kù)爾斯克”核潛艇失事沉沒(méi)。自潛艇問(wèn)世以來(lái)，如何對(duì)失事潛艇進(jìn)行有效救援，是各軍事強(qiáng)國(guó)急需解決的問(wèn)題[2]。

一般來(lái)說(shuō)，援潛救生方式分為自救（主動(dòng)式）和救援（被動(dòng)式）兩種方式[3]。研究表明，艇員自救逃生的最大深度為200米。此外還需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格訓(xùn)練才有可能逃生[4]。目前，絕大多數(shù)具有潛艇救援能力的國(guó)家采用的援潛救生策略都是援救方式，個(gè)別少數(shù)情況時(shí)采用自救方式[5]。救援裝備有深潛救生艇、潛水鐘、遙控潛器、減壓艙、援潛救生船等。國(guó)際上自1979年至今的若干次重大演習(xí)證明，與其它援救裝備相比，深潛救生艇因具有更好的救援性能，已成為今后潛艇救生發(fā)展的主要方向[6]。

深潛救生艇屬于高技術(shù)裝備，它是一種人工操縱的、可在水下機(jī)動(dòng)航行的潛水裝置（類似一種微型潛艇）[7]，通常由電池系統(tǒng)、動(dòng)力定位系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、液壓或電力推進(jìn)系統(tǒng)、通訊導(dǎo)航系統(tǒng)等組成。在艇體的下方，一般設(shè)有對(duì)接裙口，可以與失事潛艇的救生平臺(tái)對(duì)接，從而實(shí)施艇員的轉(zhuǎn)移。深潛救生艇的優(yōu)勢(shì)在于能夠在常壓下?tīng)I(yíng)救失事艇艇員，無(wú)需減壓過(guò)程，而且救生深度大，適應(yīng)性強(qiáng)，機(jī)動(dòng)性好[1]。

電池系統(tǒng)是深潛救生艇的關(guān)鍵組成之一。有人將電池比作深潛救生艇的“心臟”，電池能夠?yàn)樗伦鳂I(yè)提供能源保障。電池的技術(shù)水平直接與水下裝備的技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)水平、質(zhì)量、可靠性等有關(guān)[8]。

電池的比能量是水下裝備航程的表征，比功率則是速度和加速度的表征。由于肩負(fù)援潛救生的重要使命，深潛救生艇對(duì)其裝載的動(dòng)力電池提出了更高的要求，要求其具有高航速、長(zhǎng)航程等特點(diǎn)。當(dāng)前，深潛救生艇采用的動(dòng)力電池主要是鉛酸電池，但是其存在能量密度低、充電效率低、自放電能量損失大、循環(huán)壽命短等缺點(diǎn)，而且其改進(jìn)和提高的空間有限。隨著世界各國(guó)對(duì)動(dòng)力電池技術(shù)研發(fā)的持續(xù)投入，已提出了多種可能替代鉛酸電池的高能動(dòng)力電池。由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，鋰離子電池在眾多可替換的動(dòng)力電池中備受青睞[9]。新能源電動(dòng)汽車是鋰離子動(dòng)力電池當(dāng)前最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域。世界著名汽車廠商如美國(guó)福特、日本豐田、韓國(guó)現(xiàn)代等都積極投入力量進(jìn)行鋰離子電池的研發(fā)[10]。因此，如若能在車用技術(shù)研究的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，進(jìn)而擴(kuò)展應(yīng)用到深潛救生艇上，將極大提升深潛救生艇的動(dòng)力性能，增強(qiáng)援潛救生能力。

1 鋰離子電池概述

1.1 鋰離子電池

鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。在放電過(guò)程中，鋰離子從負(fù)極中脫出，向正極中嵌入；充電過(guò)程中則相反，鋰離子從正極中脫出，而向負(fù)極中插入[11]。

鋰離子電池一般由正極、負(fù)極、電解質(zhì)和隔膜構(gòu)成。正極材料一般由鋰的活性化合物（如LiCoO2、Li2MnO4、LiNixCo1-2xMnxO2以及LiFePO4等）組成。負(fù)極材料可采用具有特殊分子結(jié)構(gòu)的碳材料（石墨、硬碳）、氧化物、Li4Ti5O12等[9]。電解質(zhì)通常使用鋰鹽的有機(jī)溶液，也可采用聚合物或無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)。隔膜材料一般使用聚丙烯/聚乙烯/聚丙烯三層結(jié)構(gòu)，也可以選擇數(shù)種不同組成的材料[12]。由于選擇的多樣性，可以根據(jù)用戶對(duì)電池不同的需求特性來(lái)設(shè)計(jì)，這種“普適性”使得鋰離子電池具有比其它電池更廣泛的應(yīng)用。

1.2 鋰離子電池的主要特點(diǎn)

鋰元素是元素周期表中標(biāo)準(zhǔn)電極電位最低、密度最小的金屬元素，鋰元素的理論比容量高達(dá)3860 mAh/g[11]。此外，鋰離子電池獨(dú)特的反應(yīng)原理造就了其相比于其它電池的巨大優(yōu)勢(shì)。

1）體積和質(zhì)量比能量高，這是鋰離子電池的最大優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)深海救生艇用的動(dòng)力電池如鉛酸電池相比[12]，鋰離子電池?zé)o論是體積比能量，還是質(zhì)量比能量都是其三倍以上。

2）平均輸出電壓高，一般為3.6 V，是鎳鎘和鎳氫電池的三倍。

3）放電性能好。鋰離子電池可大電流放電，輸出功率大。工作期間的放電量受工況影響變化幅度小。

4）工作溫度范圍寬（-20oC～+50oC），特殊應(yīng)用條件下期望值為（-40oC～+60oC）的溫度范圍內(nèi)工作[13]。

5）無(wú)記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命長(zhǎng)（500～1000 次）[10]。鋰離子電池的每月自放電率通常小于10%，幾乎免維護(hù)[11]。此外，鋰離子電池?zé)o需進(jìn)行深度放電與周期治療，可有效地減輕艇員的工作量，同時(shí)也可縮短深潛救生艇的準(zhǔn)備時(shí)間，提高救援能力。

6）無(wú)環(huán)境污染。傳統(tǒng)的鉛酸電池由于存在重金屬鉛，對(duì)在生產(chǎn)、使用和回收過(guò)程中易產(chǎn)生大量重金屬污染，不僅嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境，并會(huì)導(dǎo)致人體健康狀況的惡化[9]。鋰離子電池材料中不存在有毒物質(zhì)，被成為“綠色電池”，切合深海救生艇對(duì)海洋環(huán)境的保護(hù)性要求。

1.3 鋰離子電池的發(fā)展歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀

鋰離子電池的發(fā)展速度在所有電池體系中是最快的。鋰離子電池的研究始于20世紀(jì)80年代，從1991年6年日本索尼公司推出第一塊商業(yè)化的鋰離子電池至今，短短數(shù)十年內(nèi)，隨著新的電池材料的研制成功以及電池設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷改進(jìn)，鋰離子電池在電池容量、比能量及性能方面有了顯著的提高，它有很大潛力可以作為各種二次電源的替代品，這使得其在電動(dòng)汽車、儲(chǔ)備電源、便攜式設(shè)備、衛(wèi)星等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。新能源電動(dòng)汽車是鋰離子動(dòng)力電池目前最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域。在我國(guó)，隨著新能源汽車政策的牽引，鋰離子動(dòng)力電池行業(yè)不斷發(fā)展，市場(chǎng)前景廣闊。此外，鋰離子動(dòng)力電池依靠其高比能、長(zhǎng)壽命等性能在軍事領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[13]。在美國(guó)，鋰離子電池已成為美軍標(biāo)準(zhǔn)電池系列之一。

2 鋰離子動(dòng)力電池用于深潛救生艇的可行性分析

考慮到深潛救生艇的特殊應(yīng)用環(huán)境和需求，鋰離子動(dòng)力電池替代傳統(tǒng)的鉛酸電池等成為深潛救生艇的動(dòng)力電池，必須滿足適用性、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面的基本要求。

2.1 鋰離子動(dòng)力電池用于深潛救生艇的適用性分析

目前，鋰離子動(dòng)力電池的質(zhì)量比能量已達(dá)到130 Wh/kg，體積比能量達(dá)到350 Wh/L，這兩項(xiàng)指標(biāo)都已是鉛酸電池的三倍以上，這一顯著優(yōu)勢(shì)有利于實(shí)現(xiàn)深潛救生艇的總?cè)萘恳蟆Ｏ啾茹U酸電池，鋰離子電池在同等體積下能夠儲(chǔ)存更多的能量同時(shí)重量也得到了減輕。因此，在同等的裝艇條件下，鋰離子動(dòng)力電池替代鉛酸電池，將極大地提高深潛救生艇的續(xù)航力。

此外，鋰離子動(dòng)力電池的輸出電壓高，能夠進(jìn)行瞬時(shí)大電流放電，在工作期間能夠進(jìn)行10 C左右的放電，而鉛酸電池不宜進(jìn)行6C以上放電。充放電效率高，可到100%，而且可快速充電，可以實(shí)現(xiàn)1C～3C充電（即20 min～1 h內(nèi)充電完畢）。因此，深潛救生艇采用鋰離子電池作為動(dòng)力電池將具有更強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性，更快的反應(yīng)速度。

2.2 鋰離子動(dòng)力電池用于深潛救生艇的安全性和可靠性分析

鋰離子電池由正極、負(fù)極和電解液等組成。目前正極材料中磷酸鐵鋰的安全性和耐高溫特性良好，已經(jīng)在電動(dòng)汽車上廣泛應(yīng)用。但是商用磷酸鐵鋰的容量已經(jīng)接近理論容量。相信隨著制備工藝的不斷改進(jìn)，正極材料的安全性能將進(jìn)一步得到提高。對(duì)負(fù)極材料而言，目前常用的碳類負(fù)極材料存在安全隱患，原因是此類材料在高溫下易與電解液反應(yīng)而產(chǎn)生可燃?xì)怏w，從而引起燃燒或爆炸。非碳類負(fù)極材料中，鈦酸鋰以其獨(dú)特的“零應(yīng)變”、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)成為安全性負(fù)極材料的首選。此外，對(duì)于電解液來(lái)說(shuō)，選擇沸點(diǎn)高、熔點(diǎn)低、分解電壓高的有機(jī)溶劑是提升鋰離子電池的安全性能的重要途徑之一。另外，研發(fā)不可燃的電解液也是一個(gè)有效途徑[10]。

此外，對(duì)于電池管理系統(tǒng)而言，鋰離子電池的穩(wěn)態(tài)開(kāi)路電壓與其荷電狀態(tài)（SOC）是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于此，可通過(guò)增加均衡電路使得每個(gè)單體之間的電壓差在一定范圍之內(nèi)。電池管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電池模塊、電壓、電流等的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以有效地對(duì)電池組進(jìn)行能量管理，從而保證電池組更加安全和可靠地工作[9]。

3 結(jié)語(yǔ)

從鋰離子電池的性能特性以及相關(guān)的研究來(lái)看，鋰離子電池非常適用于深海救生艇等援潛裝備。能夠滿足這類裝備的安全要求，對(duì)改善和提高未來(lái)援潛救生裝備的性能具有非常顯著的作用。盡管目前鋰離子動(dòng)力電池的研究已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，并成功應(yīng)用于一些動(dòng)力型水下裝備中。但是未來(lái)還需加強(qiáng)鋰離子電池材料的研發(fā)、電池設(shè)計(jì)、電池管理等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的突破，為將來(lái)深海援潛救生裝備的發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。

[1] 孫曄飛. 潛艇救生技術(shù)[J]. 國(guó)防科技，2003,(12)：26-28.

[2] 郭麗，管錚，彭元亭. 潛艇救生技術(shù)和裝備綜述[J]. 船電技術(shù)，2005,25(3)：7-9.

[3] 劉忠銘. 國(guó)外援潛救生裝備體系及發(fā)展[J]. 艦船科學(xué)技術(shù)，2011,33(3)：135-140.

[4] 張志明，薛晶. 國(guó)外援潛救生系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 船舶，2005,(3)：5-7.

[5] 孟曉宇，田琬. 國(guó)外援潛救生裝備系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),2012,34(10)：137-143.

[6] 張萬(wàn)波，汪新宇，勞鍵鋒. 潛艇逃生和營(yíng)救技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 船海工程,2001,(5)：19-24.

[7] 付本國(guó)，孟慶鑫，劉漢明. 深潛救生艇現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 海洋工程,2007,25(4)：120-126.

[8] 汪艷，王愛(ài)玲，劉浩杰，等. 動(dòng)力型水下裝備電池標(biāo)準(zhǔn)化初步研究[J]. 電源技術(shù)，2009,33(2)：119-122.

[9] 黃學(xué)杰. 軌道交通領(lǐng)域鋰離子動(dòng)力電池應(yīng)用初探[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛,2012,(5)：21-25.

[10] 劉昊,鄭利峰,鄧龍征. 鋰離子動(dòng)力電池及其關(guān)鍵材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2006,(9)：44-47.

[11] 郭昭良. 動(dòng)力型鋰離子電池的應(yīng)用分析[J]. 機(jī)電技術(shù), 2016,(4)：118-120.

[12] 朱厚軍, 郎俊山. 水下裝備用鋰離子動(dòng)力電池研究進(jìn)展[J]. 船電技術(shù)，2012, 32(B08)：96-99.

[13] 毛國(guó)龍. 鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景[J]. 中國(guó)電子商情：基礎(chǔ)電子,2009, (8)：14-14.

Feasibility Analysis of High Power Lithium-ion Batteries Used in Deep Submergence Rescue Vehicles

Lu Beihu, Liu Fei, Jin Xin, Hu Qiwei, Pei Bo

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion，Wuhan 430064，China)

TM911

A

1003-4862（2018）05-0005-03

2017-12-15

盧北虎（1986-），男，博士。研究方向：化學(xué)電源。