石墨烯超級電容器用于作戰(zhàn)潛艇動力電源探討

摘 要：通過總結(jié)潛艇用動力電池的特點，分析了潛艇對石墨烯超級電容器的提出要求，根據(jù)我國石墨烯超級電容器的研究現(xiàn)狀，大膽提出將石墨烯超級電容器作為潛艇動力電源的設(shè)想。

關(guān)鍵詞：石墨烯超級電容器;潛艇;電源

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.108

0 引言

潛艇是保護(hù)我國萬里海疆的水中利器。作為隱蔽的水下武器發(fā)射平臺，潛艇的動力電池對其作戰(zhàn)性能有著舉足輕重的作用。長期以來，鉛酸蓄電池一直是常規(guī)潛艇的動力來源，由于其使用了幾十年，諸如體積笨重、比能量低的弊端一直難以克服，急需一種新型優(yōu)良的動力電源來取代鉛酸蓄電池。雖然鋰離子電池性能優(yōu)異，應(yīng)用廣泛，但在使用中會產(chǎn)生氣脹，進(jìn)一步限制了它的應(yīng)用。隨著新型儲能元件超級電容器的出現(xiàn)，以其充放電快、使用安全、成本低、壽命長、環(huán)境污染小等優(yōu)異的性能有望成為未來常規(guī)潛艇的動力電源。

石墨烯（Graphene）非常薄，只有一個碳原子的厚度，是碳原子以sp2雜化軌道組成的形狀為六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，具有導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率大、電阻率低的極薄、堅硬、透明等特點的納米材料，因此可用作潛艇電池。

1 潛艇對動力電池的要求

1.1 電儲存量大

目前世界各國使用的電池1小時放電量約為5000～10000A，50小時放電量達(dá)到10000～20000A，但潛艇在進(jìn)攻和攻擊后要迅速脫離戰(zhàn)場，并且在沒有補(bǔ)給的條件下仍然能夠執(zhí)行較長的航程，所以得要求電池容量足夠大，以能夠儲存供給潛艇使用的超量電能。

1.2 重量輕

電池輕重與潛艇重量息息相關(guān)，減輕電池重量，意味著潛艇的重量將會大大減少，這對潛艇的機(jī)動性是非常有利的;目前潛艇設(shè)有2組或4組電池組，每組由112塊或120塊電池組合而成，因此有較高的負(fù)重。如果是同樣噸位的潛艇，使用重量輕的電池意味著潛艇可以攜帶更多的彈藥和補(bǔ)給，艇員的居住條件也會相應(yīng)改善，這對提升潛艇的戰(zhàn)斗力是顯而易見的。

1.3 壽命長

潛艇內(nèi)部由于排滿各種武器裝備，為了減小容積空間安排極其緊湊。因此，潛艇在整個服役期內(nèi)，不宜頻繁更換電池，除非借助潛艇大修時機(jī)，且每更換一次需要較高的成本。這就要求潛艇電池的使用壽命越長越好，這也是決定超級電容器電池能否用在潛艇上的一個重要指標(biāo)。

1.4 性能可靠

電池作為潛艇在水下唯一的動力源泉，電池一旦出現(xiàn)故障，不但會直接影響潛艇作戰(zhàn)任務(wù)能否順利完成，而且還會危及艇員的生命和潛艇的安危。因此，要求潛艇的電池故障率低、性能可靠，從而才能夠保證潛艇在海上時刻處于戰(zhàn)備值班狀態(tài)。

1.5 充電時間短

潛艇在水下航行時，艇內(nèi)空氣要供給艇員呼吸，所以此時無法啟動柴油機(jī)為電池充電。而潛艇充電，要上浮到能夠?qū)⑼L(fēng)管露出水面狀態(tài)時，才可啟動柴油機(jī)為電池充電，此時的潛艇極易受到對方攻擊。因此，潛艇電池充電時間要盡可能的短，從而減小暴露的機(jī)會，提升自身的生存機(jī)率。

1.6 適應(yīng)高溫高濕環(huán)境

潛艇各個艙室溫差較大，電池艙溫度常年平均在40攝氏度左右，相對濕度在平均90%以上。在這樣高溫高濕條件下，要求電池必須能夠保持良好的絕緣狀態(tài)并且能正常工作。

2 我國石墨烯超級電容器的研究現(xiàn)狀

2009年起，我國開始正式涉足石墨烯超級電容器領(lǐng)域。雖然起步較晚，但取得的成果卻不比其它的國家差。目前，國內(nèi)基于石墨烯超級電容器的研究工作已廣泛開展，主要集中在電容器電極材料制備和改性，包括雜原子化學(xué)摻雜制備石墨烯電極材料、石墨烯與碳納米管復(fù)合和石墨烯與聚合物的復(fù)合。周明杰、劉大喜、王要兵研究的石墨烯/聚3-（4-氟苯基）噻吩復(fù)合材料及其制備方法并成功運用在超級電容器的生產(chǎn)。Jie Tong 等將石墨烯與聚苯胺混合作為超級電容器電極材料，組裝成超級電容器，經(jīng)過電化學(xué)測試，比電容達(dá)到215.8F.g-1，電流密度比不摻雜聚苯胺提高86%。Chen-Xu Jiao等將石墨烯作為電極材料組裝成超級電容器，在6mol.L-1 KOH電解液中1.5V電壓下進(jìn)行12000次恒流充放電測試，電壓僅衰減2.77%。Bo Yan等將MnPO4 H2O與石墨烯混合作為電極材料，組裝成超級電容器在3 mol.L-1 KOH電解液中測試，比容量達(dá)到287.9F.g-1，能量密度150KW.Kg-1，該種方法制備的電極材料表現(xiàn)出良好的比容量和能量密度，有望用于超級電容器的生產(chǎn)。Hai-fu Huang等在石墨烯中加入5%氮元素，以此材料作為電極材料組裝成超級電容器，在6mol.L-1 KOH電解液中經(jīng)交流阻抗測試，內(nèi)阻為4Ω，內(nèi)阻較小，在實際使用中可以大大減少內(nèi)阻的損耗。相關(guān)的研究結(jié)果表明，石墨烯超級電容器在動力電池領(lǐng)域具有很強(qiáng)的商業(yè)化應(yīng)用前景。

3 石墨烯超級電容器的特點

石墨烯自問世以來，以其質(zhì)量輕、理化性質(zhì)穩(wěn)定、電導(dǎo)率高、價格低廉而成為科研工作者的研究熱點。隨著研究的進(jìn)一步深入，其比容量表面積大、導(dǎo)電性能高使其作為電極材料而應(yīng)用到超級電容器領(lǐng)域。作為新興儲能元件超級電容器在使用石墨烯作為電極后，性能得到大幅度的提升，并得到更加廣泛的應(yīng)用。制作方法有：機(jī)械剝離法、化學(xué)氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、開裂碳納米管法等，而其中的化學(xué)氧化還原法具有產(chǎn)量高、成本低、方法簡便等優(yōu)點而成為常用的制作方法。主要有以下幾方面的特點。

3.1 輸出功率大

因為石墨烯超級電容器具有很高的功率密度和能量密度，能夠在短時間內(nèi)釋放出很大的電流，從而導(dǎo)致輸出功率也會大幅度提高。而石墨烯超級電容器的功率密度同樣也會大幅度地超過傳統(tǒng)電容器，具有很高的比容量。與多孔的碳材料作比較，由于石墨烯具有更大的表面積及含有大量的層間構(gòu)造，因此它更適合在雙電層電容器中應(yīng)用，具有高的導(dǎo)電性和傳出功能。

3.2 充電速度快及使用壽命長

石墨烯超級電容器的電能儲存是在石墨烯電極表面通過快速、可逆的電化學(xué)反應(yīng)來完成的，能夠在數(shù)十秒到幾分鐘內(nèi)即可完成快速的充電任務(wù)，并達(dá)到飽和量。再由于石墨烯是由自身多孔的粉末包裝成的一個硬幣形狀的細(xì)胞，具有巨大的表面積，因此儲存的能量多于現(xiàn)在使用的鋰離子電池，且充、放電以秒計算，總耗時也不超過10分鐘。又由于石墨烯化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，可以多次重復(fù)充放電，循環(huán)次數(shù)可在10萬次以上。

3.3 重量輕

生產(chǎn)石墨烯超級電容器使用的不管是電極材料石墨烯，還是水系或有機(jī)系電解液，重量僅為制造鉛酸蓄電池所需的極板高密度鉛重量的50%，且成本將比鋰電池低77%。因此，比較起來石墨烯超級電容器的重量更輕，組裝的電池組重量也會隨之相應(yīng)降低。

3.4 污染小

石墨烯超級電容器的生產(chǎn)與較于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，由于沒有使用金屬鉛做電極板，對于環(huán)境污染和對潛艇員的身體損害都將會大大減低，當(dāng)某一個潛艇由于其它部件的磨損而報廢時，對于電池的處理因不用考慮鉛污染，工序也會相應(yīng)變得簡單。

3.5 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

普通電池的工作溫度一般要求在-20℃～+60℃之間，而超級電容器的工作溫度范圍是-40℃～+70℃。普通電池在低溫條件下化學(xué)反應(yīng)速度會大幅度降低，而低溫對超級電容器的影響并不大，故而超級電容器在低溫時比傳統(tǒng)電池具有更加優(yōu)越的電化學(xué)性能。

4 結(jié)論及展望

通過對比潛艇對電源提出的要求和石墨烯超級電容器的特點，我們得出石墨烯超級電容器可以用作潛艇動力電池。然而，石墨烯超級電容器要想真正走上潛艇還有待于科研工作者不斷地研究與深入。但隨著我國科研工作者的不懈努力，以及國家投資力度的不斷加大，我國的石墨烯超級電容器產(chǎn)業(yè)必將出現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。相信在不久的將來，我國的潛艇必能使用由石墨烯超級電容器制成的動力電源，讓我國的潛艇為保衛(wèi)祖國的藍(lán)色國土作出更大的貢獻(xiàn)。

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