趙佳歡，劉 飛，周思思，張祥功

應(yīng)用研究

淺析各國(guó)深海潛器用鋰電池電性能

趙佳歡，劉 飛，周思思，張祥功

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文以美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等深海裝備動(dòng)力發(fā)展先進(jìn)的國(guó)家為主要研究對(duì)象，對(duì)比分析了各國(guó)對(duì)鋰一次電池及鋰二次電池在深海動(dòng)力領(lǐng)域應(yīng)用的研究。通過調(diào)研得出，在鋰動(dòng)力領(lǐng)域，各國(guó)對(duì)鋰離子動(dòng)力電池的研究相對(duì)較多，同時(shí)電池的應(yīng)用等級(jí)主要在水下6 000 m以內(nèi)，電池承壓形式主要為充油耐壓結(jié)構(gòu)及高密度聚合物封裝，小部分具有電池自承壓能力。本研究對(duì)深海動(dòng)力的發(fā)展及承壓形式具有參考意義。

深海電池 耐壓 鋰電池

0 引言

人類文明發(fā)展的過程中，從未停下對(duì)未知世界探索的腳步，上到浩渺宇宙，下到神秘深淵。在我們生活的星球上，海洋占總表面積的71%，平均水深3795米。目前人類已探索的海底只有5%，還有95%大海的海底是未知的。深海裝備的發(fā)展是探索未知世界、把握地球發(fā)展變化的重要工具。而深海電池技術(shù)則是在探索過程中走的多遠(yuǎn)，看得多清的動(dòng)力保障。

目前世界上用于深海探索的裝備主要為潛水器，包括載人潛水器（HOV）和無人潛水器（UUV）。其中無人潛水器又可分為自主潛水器（AUV）、遙控潛水器（ROV）、自主/遙控潛水器(ARV) 、水下滑翔機(jī)（underwater glider，Glider）[1]。深海裝備的動(dòng)力電池來源主要有一次電池、二次電池（液態(tài)鋰離子電池(LIB)、鋰聚合物電池（PLIB））、燃料電池、半燃料電池以及混合電池動(dòng)力。本文將對(duì)近幾年來各國(guó)深海鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)水平及發(fā)展趨勢(shì)做簡(jiǎn)要的分析介紹。

1 鋰一次電池

為了滿足對(duì)深海探索、探查/識(shí)別、以及監(jiān)控偵察、載荷運(yùn)送、反潛戰(zhàn)等軍事作戰(zhàn)的需求，[2]深海裝備需要具備大深度、遠(yuǎn)航程、長(zhǎng)航時(shí)、機(jī)動(dòng)性能好、搭載平臺(tái)靈活的特點(diǎn)，因此要求深海動(dòng)力電池具有工作電壓高、放電平臺(tái)電壓穩(wěn)定、高比能量、長(zhǎng)儲(chǔ)存壽命以及免維護(hù)的特點(diǎn)。鋰一次電池中鋰/亞硫酰氯電池比能量很大，一般可達(dá)420 Wh/kg，低速率放電時(shí)最高達(dá)650 Wh/kg，此外還具有比功率大；電壓高：電池開路電壓為3.65 V，以1 mA/cm2放電時(shí)，電壓可保持在3.3 V，90%的容量范圍內(nèi)電壓保持不變；電池能以10 mA/cm2或更高電流密度放電，電壓精度高：常溫中等電流密度放電時(shí)放電曲線極為平坦；高低溫性能好：一般可在-40～50℃內(nèi)正常工作，甚至在-50～150℃內(nèi)也能工作；-40℃時(shí)的容量約為常溫容量的50%；貯存性能好：一般可濕擱置5年或更長(zhǎng)時(shí)間。早在2000年的時(shí)候，鋰/亞硫酰氯電池就被研制應(yīng)用于遠(yuǎn)程水雷偵查系統(tǒng)（LMRS），用于雷區(qū)情報(bào)收集和水雷識(shí)別定位。LMRS應(yīng)用高能量密度的鋰/亞硫酰氯電池，可在水下工作深度為12～460 m，航程可達(dá)200 km，日工作區(qū)域達(dá)90 km2，能持續(xù)工作40～48 h。鋰/亞硫酰氯電池雖具備高能量密度，但其存在安全穩(wěn)定性較差、低溫放電容量衰減較大、電壓滯后現(xiàn)象以及大電流放電能力差等缺點(diǎn)，導(dǎo)致深海裝備經(jīng)過儲(chǔ)存后，出現(xiàn)明顯鈍化、激活時(shí)間過長(zhǎng)；電性能參數(shù)在其儲(chǔ)存壽命內(nèi)衰減至不能滿足工作要求，以及安全性變差。[3]國(guó)內(nèi)研究者目前對(duì)Li/MnO2、 Li/SO2、 Li/SOCl2、 Li/CFx、 Li/CFx-MnO2等幾種高性能鋰一次電池進(jìn)行研究，這些一次電池在保持其高比能的同時(shí)，也存在電池成本較高、放電過程中膨脹率較大、溫升較高等問題亟需解決[4]。

2 鋰二次電池

2.1 鋰離子電池

鋰離子電池從相對(duì)于鋰一次電池具有更好的循環(huán)壽命及安全性，在偵察、探測(cè)、信息收集、深海考察等領(lǐng)域有更高的應(yīng)用價(jià)值。

由美國(guó)水螅公司生產(chǎn)的REMUS系列無人潛航器都應(yīng)用鋰離子電池，其中，REMUS-6000應(yīng)用一個(gè)帶耐壓外殼的12 kWh的高度模塊化二次鋰離子電池組，系統(tǒng)可選配加裝第二組12 kWh的電池組，充電時(shí)間8小時(shí)，該電池最多可充電300次或使用壽命為五年。REMUS M3V無人潛航器，于2018年3月完成首次試航，潛深300 m，航速最高可達(dá)10 kt。

Ocean Power Technologies（OPT）于2020年推出SUBSEA電池，該深海電池為磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池。外殼采用全鋼壓力容器，使用壽命長(zhǎng)達(dá)10年，最大水深達(dá)500 m。該電池總標(biāo)稱容量為132 kWh，峰值功率輸出高達(dá)15 kW。

圖1 SUBSEA電池

此外，混合動(dòng)力PowerBuoy?深海電池系統(tǒng)復(fù)合磷酸鐵鋰電池和太陽能電池，可通過太陽能電池板進(jìn)行充電，1kW斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)可提供備用動(dòng)力（以液態(tài)丙烷為燃料）。這種結(jié)合使混合動(dòng)力PowerBuoy?成為低碳至零碳的動(dòng)力，同時(shí)可以在極端天氣，大風(fēng)浪或低浪環(huán)境中提供動(dòng)力。

由美國(guó)L3Harris公司生產(chǎn)的Iver4 900無人潛航器，于2019年9月完成12.5小時(shí)，27.5海里的遠(yuǎn)距離無人反水雷測(cè)試任務(wù)。該潛航器使用鋰離子電池，航程可達(dá)80海里，同時(shí)提供長(zhǎng)達(dá)40 h的適用壽命，航速最高可達(dá)3海里/小時(shí)（3k）。

由美國(guó)克雷肯機(jī)器人公司2019年10月展出的研制的ThunderFish潛航器，搭載模塊化可互換的高密度聚合物封裝耐壓鋰離子電池提供動(dòng)力，完成720 h的水下耐久性。航行時(shí)間為20～48 h，可下潛至6 000 m的深度。

英國(guó)RS Aqua公司為ROV和AUV執(zhí)行長(zhǎng)期監(jiān)控與傳感器部署任務(wù)設(shè)計(jì)了PowerPack –大容量深海鋰離子電池，PowerPacks?提供一系列標(biāo)準(zhǔn)配置，容量從650到5 210 Wh，4種標(biāo)準(zhǔn)電壓：14.4、25.2、46.8和50.4 V。鈦或POM制成的外殼的深度等級(jí)為100、300、3000、4 000和6 000 m。適用于冰下或深海等極端條件。

德國(guó)SubCtech在深海動(dòng)力方面有幾個(gè)代表性電池，電池主要輸出電壓為14 V、24 V、200 V和400 V。

SubCtech PowerPacks?標(biāo)準(zhǔn)電池提供不同的標(biāo)準(zhǔn)配置，包括容量，電流，電壓，尺寸和外殼，可以按需定制所有電池。使用鈦或POM外殼使該電池可用于6 000 m的深度。

圖2 SubCtech系列產(chǎn)品

圖3 SubCtech PowerPacks?標(biāo)準(zhǔn)電池

大功率高能量鋰離子PowerPack?參數(shù)如下。標(biāo)準(zhǔn)容量：674 Wh和1 700 Wh；電壓范圍：14 V，25 ～50 V；放電電流7 A，最高可達(dá)50 A；應(yīng)用范圍為水下300 m，2 000 m，4 000 m，6 000 m。產(chǎn)品種NEW “Long-Jim” “A” 型高容量電池的主要參數(shù)如表1所示。

此外SubCtech還可以提供定制電池服務(wù)，電壓范圍在14 V至400 V，功率最高達(dá)25 kW，電流最高50 A，峰值140 A，可在式水下充電，水下UPS功能，工作深度達(dá)6 000 m。

表1 NEW “Long-Jim”“A”型高容量電池的主要參數(shù)

2020年11月，德國(guó)EAS電池公司推出新型船載模塊化電池系統(tǒng)。靈活的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以使電池模塊靈活組合。此外EASy-Marine?模塊混合動(dòng)力系統(tǒng)將電池和柴油發(fā)電機(jī)組結(jié)合在一起，其目標(biāo)是將燃料消耗保持在最佳點(diǎn)，并始終保持在最佳水平。"有了EASyMarine?，每艘船可節(jié)省多達(dá)30%的柴油。同時(shí)該電池還可以和氫燃料電池一起高效的運(yùn)用。EAS還研制了其他幾款磷酸鐵鋰-石墨鋰離子電池適用于水下的電池，主要參數(shù)如表2、表3所示。

表2 EAS磷酸鐵鋰-石墨鋰離子電池參數(shù)1

表3 EAS磷酸鐵鋰-石墨鋰離子電池參數(shù)2

德國(guó)Kraken Power研制了以可承受600bar靜水壓力（相當(dāng)于6 000 m水深）的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以及基于功率范圍在1.6 kWh到幾MWh的能量供應(yīng)系統(tǒng)。Kraken Power通過電池系統(tǒng)自身的耐壓技術(shù)替代傳統(tǒng)的壓力外殼，可在6 000 m的深度中使用。其耐壓系統(tǒng)（PTS）的工作方式類似于壓力補(bǔ)償系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)組件承受靜水壓力，使用不可壓縮的彈性體（如硅樹脂或聚氨酯）替代原有的液體壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用專有的真空技術(shù)封裝聚合物。與充油補(bǔ)償系統(tǒng)相比，耐壓系統(tǒng)具有較低的比重和較小的體積，耐腐蝕性強(qiáng)，維護(hù)成本低。

2.2 鋰聚合物電池

近幾年應(yīng)用在深海裝備中的二次電池中，鋰聚合物電池應(yīng)用的較為廣泛。鋰聚合物電池不僅具有鋰離子電池的優(yōu)良性能，還可以制成任意形狀和尺寸。并且由鋰聚合物電池提供動(dòng)力的UUV普遍下潛深度更深。

由挪威Kongsberg maritime公司2018年12月推出最新研制的HUGIN Superior無人潛航器，搭載62.5 kWh耐壓鋰聚合物電池提供動(dòng)力，可在8 h內(nèi)完成充電，同時(shí)內(nèi)置安全系統(tǒng)，可避免過充和過放以及一般使用的危險(xiǎn)。最高航速可達(dá)5.2 kt，該潛航器可在3 kt速度下執(zhí)行任務(wù)72 h，在4 kt速度下52 h，可下潛至6000 m的深度。

美國(guó)通用動(dòng)力公司研發(fā)出耐壓鋰聚合物電池，電池系統(tǒng)內(nèi)部配置保護(hù)、監(jiān)視、功率控制和電池調(diào)節(jié)功能。2019年9月展出的Bluefin-12無人潛航器動(dòng)力系統(tǒng)配置4個(gè)1.9 kWh的可充電鋰離子電池。電池電壓為30 V,尺寸為38.4 cm×13.3 cm×21 cm，重14.3 kg，最大充、放電電流分別為15 A和30 A,正常充、放電電流分別為12 A和10 A。Bluefin-9采用模塊化設(shè)計(jì)，維護(hù)人員可在30分鐘內(nèi)更換容量1.9 kWh的鋰離子電池，其最大航速可達(dá)6 kt（11.1 km/h），可以以5 kt的航速開展測(cè)量工作，3 kt的航速在水下運(yùn)行8小時(shí)。Bluefin獨(dú)特的電池模式使得在甲板上快速反轉(zhuǎn)保持在兩小時(shí)之內(nèi)，無需打開受壓艙就能交換電池。全負(fù)荷的電池能為潛航器提供18 h、時(shí)速為3 kn的勘察所需的能力，水深200 m 內(nèi)的作業(yè)覆蓋范圍達(dá)150 km。Bluefin的標(biāo)準(zhǔn)1.5 kWh電池組是防水，耐壓的，并包括用于自平衡，監(jiān)控和安全的自己的智能電子產(chǎn)品。即插即用連接器使用戶無需打開壓力容器即可在海上幾分鐘內(nèi)輕松更換包裝。

由于核心技術(shù)具有可擴(kuò)展性，因此Bluefin提供了各種容量的電池，包括1.8 kWh，3.5 kWh和8.88 kWh電池組，以及可擴(kuò)展至148 kWh的電源解決方案。

英國(guó)OceanTools研制的OceanCELL-12由單個(gè)鋰離子聚合物電池模塊組成，并組裝在額定深度3 000 m的外殼中。OceanCELL-25和Ocean CELL-38包含多個(gè)同種類型電池模塊，可延長(zhǎng)至4 000 m深度的運(yùn)行時(shí)間。

表4 OceanCELL電池主要參數(shù)

美國(guó)Southwest Electronic Energy Group (SWE)（2019年被Ultralife Corporation收購）于2017年推出了SeaSafe II和SeaSafe Direct大型鋰離子聚合物電池，可在28 Ah或其他容量選項(xiàng)下提供30 V電壓，可應(yīng)用于6 000 m的水深中。SeaSafe II電池組需安裝在壓力平衡的充油（PBOF）容器中，而SeaSafe Direct可以直接放入水中使用而無需PBOF容器。在使用上，兩種電池在放電電流上有較大的差別，具體參數(shù)如表5所示。

表5 SeaSafe II和SeaSafe Direct參數(shù)

2.3 鋰硫電池

鋰硫電池具備理論能量高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，在有效解決其活性材料在循環(huán)過程中體積波動(dòng)大，容量衰減迅速，自放電等問題后，鋰硫電池是一種很有前途的下一代儲(chǔ)能技術(shù)。

英國(guó)Steatite公司、OXIS Energy公司、英國(guó)MSubs和英國(guó)國(guó)家海洋學(xué)中心于2017年聯(lián)合研制了可用于海洋自主系統(tǒng)(MAS)的耐壓6 000 m的鋰硫電池組。

這些電池可在超過600個(gè)大氣壓力和低溫（0～4℃）的嚴(yán)酷深海條件下進(jìn)行工作。同時(shí)優(yōu)化了電池的組成，以克服低溫下的性能損失。12 Ah電池，在低溫和高壓下放電時(shí)，有效的中性浮力能量密度（NBED）幾乎是鋰離子參考電池的兩倍。電池壽命測(cè)試中，可達(dá)到60～80周。同時(shí)，OXIS開發(fā)了一個(gè)原型鋰硫袋單元，可以達(dá)到470 Wh/kg，預(yù)計(jì)近期將達(dá)到500 Wh/kg，到2025年可達(dá)到600 Wh/kg。

3 結(jié)語

在深海動(dòng)力領(lǐng)域，當(dāng)前世界各國(guó)主要選用鋰離子電池為動(dòng)力能源，[5]同時(shí)兼顧一次電池、其他二次電池、混合動(dòng)力電池及燃料電池的研究應(yīng)用。本文研究了當(dāng)前世界上主要的深海鋰電池的發(fā)展及應(yīng)用，可以為深海武器裝備、深海探索裝備的動(dòng)力發(fā)展提供一定的參考。

[1] 曹俊, 胡震, 劉濤,等. 深海潛水器裝備體系現(xiàn)狀及發(fā)展分析[J]. 中國(guó)造船, 2020, 61(1): 15.

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Analysis of lithium batteries for deep-sea submersible in various countries

Zhao Jiahuan, Liu Fei, Zhou Sisi, Zhang Xianggong

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

TM912

A

1003-4862（2022）10-0048-04

2022-05-18

潛水器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)重點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)研究（工信部重裝函[2020]313號(hào)）

趙佳歡（1995-），女，助理工程師，研究方向：化學(xué)電源。E-mail：zhaojhjob@126.com