中國船舶重工集團有限公司第七一四研究所

馬曉晨 方 楠 張 旭

近年來，高比能可充電電池、太陽能電池、柔性電源、燃料電池及其他新能源技術飛速發(fā)展，甚至呈現(xiàn)出爆發(fā)式發(fā)展的態(tài)勢。這些動力與能源技術具有高度的軍民兩用性和軍種通用性，其快速進步將帶來裝備形態(tài)、使用方式、部署模式的改變。主要體現(xiàn)在：高比能電池、小型便攜式電源、能量回收技術有望打造能長期獨立作戰(zhàn)的超級士兵系統(tǒng)；燃料電池技術通用性強，可用于潛艇、戰(zhàn)車及各種無人平臺；無人干預充電尤其是無線充電技術，將大幅提升作戰(zhàn)無人平臺的作戰(zhàn)半徑；太陽能、波浪能、海洋溫差能、微生物燃料電池等新能源技術有望實現(xiàn)無人值守傳感器的無限續(xù)航力。典型新能源技術及應用情況如圖1所示。

一、打造能長期獨立作戰(zhàn)的超級士兵系統(tǒng)

單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)是一類集成化的可穿戴士兵裝備，包括頭盔、作戰(zhàn)服、電源、生命維持系統(tǒng)、通信及火控系統(tǒng)、先進武器等。未來新一代的單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)將裝備功能更加完善的情報、監(jiān)視、偵察設備，具備更快的通信、敵我識別等數(shù)據(jù)交互能力，使士兵能操控無人車和無人機；同時，該系統(tǒng)還收集士兵的心率、呼吸頻率、血壓、體溫等健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，并能過濾空氣和水，實現(xiàn)人體保暖和降溫，為士兵提供必要的生命支持。美國國防部設想的未來士兵系統(tǒng)的頭盔將具備抬頭顯示、綜合通信、空氣過濾、夜視、光學偵察等功能；智能作戰(zhàn)服（如美國國防高級研究計劃局（DARPA）研發(fā)的“勇士織衣”）質量輕、柔韌性好，能通過小型傳感器、功能結構件和致動器將負重分布于士兵全身，減輕負重對士兵關節(jié)的損傷，同時具備生物傳感、實時健康檢測、自主醫(yī)藥輔助等功能。

圖1 典型新能源技術及應用情況

這種新一代單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展對士兵裝備系統(tǒng)的電源提出了更高的需求：一是要發(fā)展更高比能、更高比功的電源，包括一次電池、可充電電池、超級電容器，支持下一代武器、傳感器、雷達和外骨骼的用電需求，同時延長戰(zhàn)術任務時間，減輕士兵系統(tǒng)的電源負重；二是發(fā)展小型便攜式電源，包括小型燃料電池、便攜式發(fā)電機、高效太陽能電池板，能利用戰(zhàn)術燃料發(fā)電，提高遠征作戰(zhàn)的現(xiàn)場發(fā)電能力，增強戰(zhàn)術作戰(zhàn)的自主性，減少對能源補給的需求；三是發(fā)展能量回收系統(tǒng)，回收士兵運動時膝蓋、關節(jié)、肩膀等處的動能，回收運動產(chǎn)生的靜電力和壓力并進行發(fā)電，最大限度地降低能量損耗。

未來士兵作戰(zhàn)服可由拉伸發(fā)電的紗線混紡而成，肩部、胸部可集成柔性光伏電池，腹部可裝備多組輕量化高比能電池，大腿部裝備小型燃料電池，并攜帶適量戰(zhàn)術燃料，膝蓋、關節(jié)、肩膀等還可裝備動能回收系統(tǒng)，手套、背心前部可粘貼拉伸發(fā)電電容器貼片，由配電模塊向作戰(zhàn)服各處分配電能并監(jiān)控用電、供電情況，形成未來士兵作戰(zhàn)服的電源系統(tǒng)。士兵系統(tǒng)的電源正在從單電池發(fā)展為包含柔性電源、便攜式自發(fā)電、柔性人體能量回收的綜合能源系統(tǒng)，趨勢是更薄、更輕、更柔軟。這些士兵系統(tǒng)的電源能夠有效延長士兵所攜帶傳感器、電子設備、通信系統(tǒng)的續(xù)航力，能夠支持新一代武器、傳感器、外骨骼，提高干擾環(huán)境下的目標命中率，增強狀態(tài)感知、多模式通信、毀傷目標的能力，還能在必要時為攜帶的小型無人機、無人車充電，提高無人平臺的航程和續(xù)航時間。

（一）高比能蓄電池

高比能蓄電池是支持下一代士兵高性能武器裝備的重要手段，現(xiàn)有鋰離子電池的正極主要為磷酸鋰鐵、錳酸鋰、三元材料，負極為石墨類材料，電池比能約為100～200W·h/kg。美國陸軍要求未來士兵系統(tǒng)的電源比能達到600～800W·h/kg，是目前的4~6倍。提高鋰電池比能的思路主要有3條：一是優(yōu)化正極配方，主要是調節(jié)正極中的Ni、Co、Mn、Al等元素配比，在保證安全性（主要是熱穩(wěn)定性和循環(huán)特性）的前提下逐步提高比能，這種漸進式發(fā)展思路預計可將電池比能提高至300W·h/kg。二是優(yōu)化負極結構，重點是研發(fā)理論比容量為石墨10倍的硅負極，核心是通過包覆、嵌入和摻雜等手段，構建納米硅碳復合材料、硅氧復合材料等，解決硅負極在充放電過程中體積膨脹嚴重的問題。三是研發(fā)理論比能為鋰離子電池6~12倍的鋰金屬負極電池，包括鋰硫電池和鋰空氣電池，但這種電池存在嚴重的金屬鋰枝晶問題，難以充放電，目前仍需通過硫元素封裝、改進固體電解質、界面工程等方法進行改進，不過其仍是未來電源的重要備選方案。美國陸軍分析認為，對于一項72h的士兵作戰(zhàn)任務，硅負極鋰離子電池可將電池質量降低至70%，鋰硫電池可降低至30%，鋰空氣電池可降低至15%。

（二）柔性可拉伸電源

柔性可拉伸電源主要包括柔性鋰離子電池、柔性超級電容器和柔性太陽能電池。柔性可拉伸電源能跟隨人體動作變形，有望將其通過紗線混紡或貼片粘貼，制成可發(fā)電、可儲能的士兵服裝。

柔性鋰離子電池可使用紙狀、多孔、纖維、波浪等電極結構。紙狀柔性電池是將電極材料獨立成膜或涂覆在柔性紙狀基底上，可制成電池貼片，如圖2所示；多孔柔性電池是在柔性多孔框架上沉積電極材料，可用作服裝中的填充物；纖維柔性電池可在棉質、聚酯質纖維上涂覆電極材料，或在多壁碳納米管上添加電極材料后滾成纖維，再纏繞至彈性材料上或自行盤繞成彈簧狀纖維結構；波浪柔性電池是在預應變彈性基板上沉積電極材料，隨后釋放應變，構成波浪形的可拉伸電極，也可用作電池貼片。柔性超級電容器可使用一維的纖維狀結構，將電極捻在一起或逐層組裝制成纖維，通過編織混紡制成服裝，還可通過印刷、折疊等方式制造二維柔性超級電容器，貼附在皮膚、塑料、織物等表面。目前，柔性超級電容器的比電容一般為毫法/厘米2量級，比功約為毫瓦/厘米2量級，比能約為微瓦時/厘米2量級，功率較低，可為LED燈、二極管、低功率人體傳感器等供電。有機聚合物太陽能電池是一種柔性電源，能制成薄膜縫在衣服上，如圖3所示。這種太陽能電池一般使用共軛聚合物供體和富勒烯衍生物受體，拉伸率可超過50%，光電轉換效率最高約為12%；還可制成多節(jié)有機太陽能電池，吸收不同波段的光，效率有望達到18%。

圖2 使用CNT柔性電極的紙狀鋰離子電池

圖3 纖維超級電容器編織到織物中

（三）小型便攜式電源

小型便攜式電源包括燃料電池和高效率太陽能電池板，便攜式燃料電池正在從乙醇、甲醇重整逐步過渡至燃油重整或直接電子轉移制氫發(fā)電，能量密度不斷提高。美國Atrex已經(jīng)研發(fā)出使用JP8無硫燃油的燃料電池，功率為1.5kW，效率達到40%。使用高效率太陽能電池板也是提高士兵系統(tǒng)現(xiàn)場發(fā)電能力的重要手段。美國可再生能源實驗室的研究結果表明，目前太陽能電池的效率最高達到46%（四結、聚光），而傳統(tǒng)硅電池的效率已經(jīng)基本達到瓶頸。鈣鈦礦太陽能電池作為一種新型方案，制造成本低，從2009年發(fā)展至今實際效率已從3.8%增加至24.2%，鈣鈦礦–硅混合電池的效率更是高達28%，超過硅電池水平（聚光單晶硅電池效率為27.6%）。鈣鈦礦太陽能電池是一種極有潛力的太陽能電池，除可用作士兵系統(tǒng)攜帶的太陽能電池板外，還能制成半透明薄膜，用于戰(zhàn)車玻璃涂層。而使用小型便攜式電源可提高遠征作戰(zhàn)的現(xiàn)場發(fā)電能力。

（四）人體能量回收系統(tǒng)

目前士兵裝備的人體能量回收系統(tǒng)一般采用機電系統(tǒng)，裝備在腿部及關節(jié)處。除了這些復雜、笨重的機械式能量回收系統(tǒng)外，還可采用摩擦納米發(fā)電機、溫差發(fā)電熱電池、壓電納米發(fā)電機等，甚至構建綜合能量回收體系，來回收關節(jié)彎曲、穿衣、步行、呼吸等低頻活動的動能，用以驅動人體生理信號傳感器、LED顯示器等低功耗小型電子設備。近年來，人體能量回收系統(tǒng)正在從笨重的機電系統(tǒng)發(fā)展為可紡織的柔性紗線或貼片。

柔性摩擦納米發(fā)電機（TENG）利用兩種不同的聚合物/金屬材料接觸時的摩擦發(fā)電，可制成薄膜貼片或纖維織物。典型的柔性聚合物摩擦納米發(fā)電機可產(chǎn)生約3V的電壓，功率密度達1W/m2。利用彈性體電極和水凝膠電介質，還能制成可拉伸10倍的摩擦納米發(fā)電機。使用3D打印圖案化的聚乳酸–石墨烯–特氟龍薄膜，通過簡單的拍手動作，就能將發(fā)電電壓提高至3kV，可用于3m范圍內的無線充電。熱電池利用人體與環(huán)境的溫差發(fā)電，可利用太陽能吸收器將溫差擴大到20℃，已經(jīng)能產(chǎn)生約0.05~0.7V、0.3~4.4μW的電能。柔性壓電納米發(fā)電機（PENG）通過在外力下破壞晶體結構的中心對稱性，形成壓電勢，但目前功率較低，約為1mW/m2，輸出電壓約為1~3V，可通過平行或縱向排列大量納米線來增大功率。

二、燃料電池技術通用性強

燃料電池是將燃料中的化學能直接轉化為電能的裝置，一般以氫氣為燃料，與空氣或氧氣發(fā)生電化學反應，理論發(fā)電效率可達60%。其中，質子交換膜燃料電池由于運行溫度低、啟動速度快，故常用于常規(guī)潛艇、戰(zhàn)車、車輛和無人平臺等。燃料電池技術的通用性很強，改變單電池和堆棧數(shù)量就可研發(fā)出不同功率的動力系統(tǒng)。30~100kW的系統(tǒng)可用于潛艇或戰(zhàn)車，0.5~40kW的系統(tǒng)可用于不同規(guī)格的無人機和無人潛航器。

（一）燃料電池已成為主流的常規(guī)潛艇AIP技術

德國的212型/ 214型潛艇、俄羅斯第五代常規(guī)艇、西班牙S80潛艇、法國“短鰭梭魚”型潛艇均已使用或確定使用燃料電池+柴油機動力形式。此外，日本防衛(wèi)省也在研發(fā)潛艇燃料電池動力系統(tǒng)，很可能用于下一代潛艇。由于高壓氫氣的儲存條件苛刻、金屬氫化物儲氫密度低，國外海軍正在研發(fā)利用甲醇、乙醇、燃油為原料重整制氫的技術。目前，俄羅斯正在為第五代常規(guī)潛艇試驗燃油重整制氫技術，法國“短鰭梭魚”型潛艇也將提供燃油重整制氫方案。

（二）車用燃料電池在軍、民領域都有應用

研究人員對車用燃料電池已經(jīng)開展了多年的研究，商用燃料電池車已經(jīng)開始銷售，作戰(zhàn)車輛也已經(jīng)開始應用燃料電池。美國通用汽車公司和陸軍裝備司令部坦克機動車輛研發(fā)與工程中心（TARDEC）聯(lián)合研發(fā)了雪佛蘭科羅拉多ZH2燃料電池汽車，發(fā)電功率為92kW，用于夏威夷軍事基地。燃料電池除可用于驅動車輛外，還可用于制備淡水和為小型無人系統(tǒng)充電，而無需額外攜帶發(fā)電機。

（三）燃料電池有望成為中小型無人潛航器的重要動力形式

普通氫氧燃料電池需要攜帶儲氫罐和儲氧罐，系統(tǒng)較為復雜，并不適用于中小型無人潛航器。目前，國外較為看好的一種無人潛航器用燃料電池方案是鋁水燃料電池，使用鋁合金與海水反應制備氫氣和氧氣，無需攜帶笨重的儲氫罐和儲氧罐。此前，鋁水燃料電池因易形成鈍化層、反應緩慢不被看好，近期，美國麻省理工學院、美國通用原子公司等相繼提出了多種破壞鈍化層、維持反應持續(xù)穩(wěn)定進行的方案，加速了鋁水燃料電池的實用化進程。美國激流公司已經(jīng)為其微型無人潛航器換裝了鋁水燃料電池，續(xù)航時間從裝備鋰離子電池的48h提高到400h。

（四）氫氧燃料電池可用于中小型無人機

美軍分析認為，燃料電池適用于最大起飛質量不超過25kg的中小型無人機，可提高無人機續(xù)航力。美海軍研究實驗室的“離子虎”無人機上使用了550W的燃料電池，續(xù)航力為26h，將30MPa儲氫罐換裝液氫后，續(xù)航力可達到48h，而使用同等質量的蓄電池的續(xù)航力僅為4h。

三、通過無人干預充電擴大無人平臺的作戰(zhàn)半徑

從動力和能源角度看，擴大無人平臺作戰(zhàn)半徑的主要方式有兩種：一是持續(xù)發(fā)展高比能、大容量的蓄電池，但受電池工業(yè)整體發(fā)展水平限制，短期內蓄電池的比能難以大幅提高；二是在無人平臺執(zhí)行任務的間隙進行無人干預充電，減少布放和回收頻次。目前，國外為無人潛航器和無人機都研發(fā)了無人干預的中繼充電系統(tǒng)。

（一）水下充電站

水下充電站可由燃料電池、水下核電站或其他海上新能源技術等供電，有望解決無人潛航器長期部署和隱蔽作戰(zhàn)所面臨的后勤維護難題。水下充電站可在水下數(shù)百至數(shù)千米部署，為中小型無人潛航器充電的同時傳輸數(shù)據(jù)。

目前，美國的水下充電站能夠利用鋁水反應結合燃料電池發(fā)電，通過濕式混合連接器與潛航器有線連接完成電力和數(shù)據(jù)傳輸，充電功率達到16kW。美國還研發(fā)了水下無線充電方案，例如，WFS公司的SeaTooth系列水下感應式連接器，數(shù)據(jù)傳輸速率為2.4×103~1×108bit/s，充電功率最高為3kW，通過海水的最大傳輸距離為20cm，效率接近80%。俄羅斯還研發(fā)了水下核能充電站，可由09852特種任務潛艇搭載布放，熱功率為6MW、發(fā)電功率為1MW，為北極無人系統(tǒng)供電。

（二）可利用無人平臺或激光為無人機充電

無人機的無人干預充電一般有兩種方案：一是用無人車或無人水面艇搭載電池深入戰(zhàn)區(qū)為無人機充電；二是直接用激光遠距離充電。日本enRoute公司就研發(fā)了一種利用無人車為無人機充電的系統(tǒng)，利用微波波段向無人機充電，傳輸效率達到80%，充電時間約為60min。移動目標的遠距離無線充電技術較為困難，主要是由于充電線圈與被充電線圈間的相對位置和角度發(fā)生變化時，充電功率和效率也會隨之改變。2017年，美國斯坦福大學首次實現(xiàn)在1m范圍內的高效穩(wěn)定電力傳輸。DARPA正在驗證用激光束為無人機遠程充電的可行性，使無人機無需降落即可補充電能。美國海軍也在評估利用艦載激光為無人機充電的可行性。

四、使分布式無人值守傳感器具備理論的無線續(xù)航力

分布式無人值守傳感器一般用電池供電，電池的更換、充電也會帶來隱蔽性差、后勤維護成本高等問題。例如，利用艦艇和艦員更換深海傳感器電池的費用超過50萬美元/個。新能源技術的發(fā)展使地面、水面、水下、海底的無人值守傳感器均有望實現(xiàn)無限續(xù)航力。

（一）地面?zhèn)鞲衅鞯氖走x電源之一就是太陽能電池

除了常見的硅基太陽能電池板外，還可使用鈣鈦礦太陽能電池、染料敏化電池等新型薄膜電池，以及利用光合作用轉移電子的微生物太陽能電池。英國帝國理工學院通過噴墨打印制造了藍藻太陽能電池，能為小型數(shù)字時鐘或低功率LED燈供電。除太陽能電池外，地面?zhèn)鞲衅鬟€可使用摩擦納米發(fā)電機等能量回收技術，收集風、振動、波浪、雨滴的能量，支撐即時或短時間間歇式的無線信號發(fā)射。哈佛大學還利用碳納米管研制出一種能量回收紗線，在拉伸或扭轉時就能發(fā)電，拉伸頻率為30次/s時，可產(chǎn)生250W/kg的峰值功率。

（二）水面、水下傳感器可使用波浪能、海洋溫差能供電

目前，在全世界絕大多數(shù)的溫暖海洋和熱帶海洋，海平面的溫度（15~30℃）遠高于500m深的海水溫度（4~7℃）。因此可利用表層和深層海水間的溫差進行發(fā)電，有望將浮標的續(xù)航力延長至數(shù)年。此外，水面水下傳感器還可使用波浪能供電。美國潮汐能源技術公司已經(jīng)研發(fā)出功率為350W~15kW的波浪能浮標發(fā)電系統(tǒng)，浮標部署深度為25~1000m。

（三）海底傳感器可使用微生物燃料電池發(fā)電

微生物燃料電池以海底微生物為陽極、海水為陰極，利用微生物的呼吸作用，分解環(huán)境中的糖類和其他養(yǎng)分，釋放能量形成電流。美國空間與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中心太平洋分部針對微生物燃料電池開展了大量研究，提出了攪拌型電池提高比功。2016年11月，該機構在海洋技術協(xié)會會議上提出，可在我國南海及周邊海域部署微生物傳感器供電的分布式傳感器網(wǎng)絡，如圖4所示。

圖4 美國海軍空間與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)中心太平洋分部設想的部署在我國南海的傳感器網(wǎng)絡(左圖)及微生物燃料電池供電的傳感器（右圖）

五、結束語

太陽能、可充電電池、燃料電池、能量回收等新能源技術的發(fā)展，在引導民用消費趨向的同時，也正在對軍事裝備、戰(zhàn)場形態(tài)產(chǎn)生潛移默化的影響。建議在摸清國內新能源技術發(fā)展水平的前提下，統(tǒng)籌考慮可能影響未來作戰(zhàn)的能源技術，根據(jù)現(xiàn)有水平和軍事需求制定發(fā)展路線圖，并定期進行更新、調整；設立能源專項，構建面向未來10~30年的作戰(zhàn)裝備發(fā)展通用化和特色化的能源技術；重點針對理論上的“無限續(xù)航力”裝備，發(fā)展能自維持的可再生能源技術，并探索長期部署必需的裝備自清潔、防腐防污等技術。