鋰離子動力電池應(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

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鋰離子動力電池應(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

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文通過對鋰離子電池動力電池的原理及主要特性的分析，結(jié)合深潛救生艇用動力電池的特殊使用環(huán)境和需求，論證了鋰離子動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力電池完全可行，并具有非常好的應(yīng)用前景。

鋰離子動力電池 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)今各大軍事強國重點發(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。據(jù)不完全統(tǒng)計，截止20世紀90年代末，在國外，就有495起非戰(zhàn)斗事故發(fā)生，造成84艘潛艇失事沉沒，包括核潛艇7艘(其中就有美國海軍最先進的攻擊型核潛艇——“長尾鯊”號，該艇于1963年4月失事沉沒)[1]。進入21世紀，潛艇失事沉沒也時有發(fā)生，如2000年9月，在巴倫支海域演習(xí)的俄羅斯“庫爾斯克”核潛艇失事沉沒。自潛艇問世以來，如何對失事潛艇進行有效救援，是各軍事強國急需解決的問題[2]。

一般來說，援潛救生方式分為自救（主動式）和救援（被動式）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)過嚴格訓(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家采用的援潛救生策略都是援救方式，個別少數(shù)情況時采用自救方式[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、可在水下機動航行的潛水裝置（類似一種微型潛艇）[7]，通常由電池系統(tǒng)、動力定位系統(tǒng)、操縱控制系統(tǒng)、液壓或電力推進系統(tǒng)、通訊導(dǎo)航系統(tǒng)等組成。在艇體的下方，一般設(shè)有對接裙口，可以與失事潛艇的救生平臺對接，從而實施艇員的轉(zhuǎn)移。深潛救生艇的優(yōu)勢在于能夠在常壓下營救失事艇艇員，無需減壓過程，而且救生深度大，適應(yīng)性強，機動性好[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”，電池能夠為水下作業(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、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。由于肩負援潛救生的重要使命，深潛救生艇對其裝載的動力電池提出了更高的要求，要求其具有高航速、長航程等特點。當(dāng)前，深潛救生艇采用的動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，而且其改進和提高的空間有限。隨著世界各國對動力電池技術(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力電池。由于具有能量密度高、循環(huán)壽命長、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點，鋰離子電池在眾多可替換的動力電池中備受青睞[9]。新能源電動汽車是鋰離子動力電池當(dāng)前最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域。世界著名汽車廠商如美國福特、日本豐田、韓國現(xiàn)代等都積極投入力量進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，進而擴展應(yīng)用到深潛救生艇上，將極大提升深潛救生艇的動力性能，增強援潛救生能力。

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。在放電過程中，鋰離子從負極中脫出，向正極中嵌入；充電過程中則相反，鋰離子從正極中脫出，而向負極中插入[11]。

鋰離子電池一般由正極、負極、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溶液，也可采用聚合物或無機固體電解質(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)用戶對電池不同的需求特性來設(shè)計，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

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

1）體積和質(zhì)量比能量高，這是鋰離子電池的最大優(yōu)勢。與傳統(tǒng)深海救生艇用的動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）無記憶效應(yīng)，循環(huán)壽命長（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[11]。此外，鋰離子電池?zé)o需進行深度放電與周期治療，可有效地減輕艇員的工作量，同時也可縮短深潛救生艇的準備時間，提高救援能力。

6）無環(huán)境污染。傳統(tǒng)的鉛酸電池由于存在重金屬鉛，對在生產(chǎn)、使用和回收過程中易產(chǎn)生大量重金屬污染，不僅嚴重破壞生態(tài)環(huán)境，并會導(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”，切合深海救生艇對海洋環(huán)境的保護性要求。

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)計技術(shù)的不斷改進，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，這使得其在電動汽車、儲備電源、便攜式設(shè)備、衛(wèi)星等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[12]。新能源電動汽車是鋰離子動力電池目前最熱門的應(yīng)用領(lǐng)域。在我國，隨著新能源汽車政策的牽引，鋰離子動力電池行業(yè)不斷發(fā)展，市場前景廣闊。此外，鋰離子動力電池依靠其高比能、長壽命等性能在軍事領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用[13]。在美國，鋰離子電池已成為美軍標準電池系列之一。

2 鋰離子動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，鋰離子動力電池替代傳統(tǒng)的鉛酸電池等成為深潛救生艇的動力電池，必須滿足適用性、安全可靠性和經(jīng)濟性三個方面的基本要求。

2.1 鋰離子動力電池用于深潛救生艇的適用性分析

目前，鋰離子動力電池的質(zhì)量比能量已達到130 Wh/kg，體積比能量達到350 Wh/L，這兩項指標都已是鉛酸電池的三倍以上，這一顯著優(yōu)勢有利于實現(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存更多的能量同時重量也得到了減輕。因此，在同等的裝艇條件下，鋰離子動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，鋰離子動力電池的輸出電壓高，能夠進行瞬時大電流放電，在工作期間能夠進行10 C左右的放電，而鉛酸電池不宜進行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力電池將具有更強的機動性，更快的反應(yīng)速度。

2.2 鋰離子動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，正極材料的安全性能將進一步得到提高。對負極材料而言，目前常用的碳類負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)生可燃氣體，從而引起燃燒或爆炸。非碳類負極材料中，鈦酸鋰以其獨特的“零應(yīng)變”、長壽命等優(yōu)點成為安全性負極材料的首選。此外，對于電解液來說，選擇沸點高、熔點低、分解電壓高的有機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有效途徑[10]。

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

3 結(jié)語

從鋰離子電池的性能特性以及相關(guān)的研究來看，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，對改善和提高未來援潛救生裝備的性能具有非常顯著的作用。盡管目前鋰離子動力電池的研究已經(jīng)取得了重大進展，并成功應(yīng)用于一些動力型水下裝備中。但是未來還需加強鋰離子電池材料的研發(fā)、電池設(shè)計、電池管理等多項關(guān)鍵技術(shù)的突破，為將來深海援潛救生裝備的發(fā)展提供有力的技術(shù)支撐。

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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。