艦船蓄電池，是供艦船動(dòng)力、照明、通信、信號(hào)和應(yīng)急電源的化學(xué)電源裝備。目前，鉛酸蓄電池以安全可靠、價(jià)格低廉成為潛艇、航母、水面艦等艦船領(lǐng)域應(yīng)用的主要蓄電池。
例如，國(guó)外潛艇用鉛酸蓄電池生產(chǎn)國(guó)家主要有德、英、法、俄、希臘等國(guó)，最先進(jìn)的潛艇動(dòng)力蓄電池有德國(guó)85型蓄電池和俄羅斯476型蓄電池，這兩型蓄電池不僅比能高，壽命長(zhǎng)（達(dá)5年以上），而且在析氫量方面也大幅降低。
鋰離子動(dòng)力電池具有比能量高、充放電特性好、正常使用無(wú)析氫析酸、循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，能較好的克服鉛酸蓄電池存在的不足，國(guó)外已實(shí)現(xiàn)艦船應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已經(jīng)積累了電動(dòng)汽車(chē)、電網(wǎng)儲(chǔ)能、無(wú)人系統(tǒng)移動(dòng)平臺(tái)等領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
本文重點(diǎn)介紹鋰離子電池技術(shù)及其在艦船行業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景。
1、鋰離子電池工作原理及優(yōu)勢(shì)
與鉛酸電池相比，鋰離子電池有如下特點(diǎn)（見(jiàn)表1）：
鋰離子電池能量密度高、倍率性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、免維護(hù)，是較為理想的潛艇動(dòng)力電池之一，作為艦船備用電池可滿(mǎn)足減重、免維護(hù)等需求。同時(shí)，隨著艦船向全電推進(jìn)方向發(fā)展，高能電磁武器對(duì)高功率電源技術(shù)需求迫切，鋰離子電池的高功率特性可滿(mǎn)足高能電磁武器發(fā)展需求，具有巨大的應(yīng)用前景。
2、鋰離子電池在艦船領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀
2.1、國(guó)外應(yīng)用現(xiàn)狀
國(guó)外鋰離子電池在民用電動(dòng)船舶以及軍用潛艇等領(lǐng)域已得到較為實(shí)際應(yīng)用。
鋰離子電池在民用電動(dòng)船舶領(lǐng)域（如表2所示）主要用于混合動(dòng)力和純電動(dòng)力電動(dòng)船舶，鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)總能量可達(dá)到幾百千瓦時(shí)至兆瓦時(shí)，采用的鋰離子電池體系包括磷酸鐵鋰電池和三元鋰離子電池。船用模塊為了滿(mǎn)足系統(tǒng)大能量需求，需要大規(guī)模陣列設(shè)計(jì)，以貨架或電池柜形式布置。船用推進(jìn)系統(tǒng)電壓一般在600-1000V左右，一般將電池分簇管理，每個(gè)電池簇之間并聯(lián)，通過(guò)能源管理系統(tǒng)控制充放電。
鋰離子電池系統(tǒng)在軍用艦船領(lǐng)域上的應(yīng)用得到了飛快的發(fā)展，2005年，軍用單艇采用了1.5kWh的鋰離子電池系統(tǒng)，到2006年，已經(jīng)擴(kuò)展到15kWh，至2011年，鋰離子電池系統(tǒng)在潛艇和水面艦艇上的應(yīng)用已超過(guò)1000kWh（圖2）。
同時(shí)，國(guó)外主要軍事強(qiáng)國(guó)在潛艇用鋰離子動(dòng)力電池領(lǐng)域已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。日本已成功實(shí)現(xiàn)2艘潛艇換裝鋰電池。日本蒼龍級(jí)“凰龍”號(hào)是首艘配備鋰離子電池的潛艇（圖3a）于2018年10月下水，采用日本湯淺公司的鋰離子電池取代了傳統(tǒng)的鉛酸以及AIP系統(tǒng)，成為日本首艘，同時(shí)也是世界首艘采用鋰離子電池作為主動(dòng)力的潛艇，可實(shí)現(xiàn)蓄電容量將增至2倍左右，續(xù)航力翻倍。2019年11月6日，“蒼龍”級(jí)潛艇的12號(hào)艦“登龍”（圖3b）的潛艇下水，同樣采用鋰離子電池作為動(dòng)力。日本接下來(lái)的新一代潛艇，將搭載與“凰龍”號(hào)和“登龍”號(hào)同樣的鋰電池。其他發(fā)達(dá)國(guó)家也開(kāi)始在潛艇設(shè)計(jì)方案中采用鋰離子電池作為動(dòng)力系統(tǒng)，德國(guó)德森克虜伯公司與德國(guó)GAIA鋰離子電池技術(shù)公司簽訂了研發(fā)用于有人駕駛船舶的大型鋰離子電池技術(shù)合同，并于2011年9月明確提出，在216型潛艇（圖3c）推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，采用鋰離子電池取代鉛酸電池。2008年，法國(guó)海軍集團(tuán)公司與SAFT公司簽署協(xié)議，正式開(kāi)展?jié)撏т囯x子動(dòng)力系統(tǒng)研制工作。2014年，法國(guó)海軍首度公開(kāi)了“短鰭梭魚(yú)”級(jí)常規(guī)潛艇，該潛艇將采用鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)。2017年7月，俄羅斯完成第五代常規(guī)潛艇“卡琳娜”級(jí)初步設(shè)計(jì)工作，該艇動(dòng)力系統(tǒng)也將采用鋰離子電池和俄羅斯新研發(fā)的制氫AIP系統(tǒng)。2016年，韓國(guó)正式開(kāi)展本國(guó)自主設(shè)計(jì)的KSS-3型潛艇（圖3d）研制工作并開(kāi)工建造，計(jì)劃從4號(hào)艇開(kāi)始采用鋰離子電池動(dòng)力系統(tǒng)，該系統(tǒng)由韓國(guó)三星集團(tuán)負(fù)責(zé)。
2.2、國(guó)內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)鋰離子電池在電池車(chē)、儲(chǔ)能領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)上，近幾年在電動(dòng)船舶領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，相關(guān)規(guī)范逐步建立。其中，中國(guó)船級(jí)社《純電池電動(dòng)船舶檢驗(yàn)指南》（2019）已經(jīng)發(fā)布。出于安全性考慮，國(guó)內(nèi)電動(dòng)船舶領(lǐng)域應(yīng)用的鋰離子電池主要以磷酸鐵鋰電池為主。長(zhǎng)江“君旅號(hào)”電動(dòng)船（如圖4a所示）是目前長(zhǎng)江上首艘載人游輪，載客量達(dá)到300，電池系統(tǒng)總能量達(dá)到2.2MWh，單次充滿(mǎn)電可航行8h，由中船重工第712研究所提供包括鋰離子電池系統(tǒng)在內(nèi)的整套動(dòng)力系統(tǒng)（如圖4b所示）。同時(shí)，鋰離子電池在電動(dòng)自卸船、貨船以及東湖游船等景區(qū)游覽船領(lǐng)域迎來(lái)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。廣船國(guó)際有限公司建造的2000噸級(jí)電動(dòng)自卸船（如圖4c所示），船上安裝有重達(dá)26噸的超級(jí)電容和超大功率鋰電池，整船電池容量約為2400千瓦時(shí)，約2小時(shí)即可完成充電，滿(mǎn)載情況下可續(xù)航80公里；上海瑞華集團(tuán)改造的500噸級(jí)純電動(dòng)貨船（如圖4d所示），該船以160千瓦變頻電機(jī)為動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)，配備了9組磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組和超級(jí)電容為儲(chǔ)能及標(biāo)準(zhǔn)岸電充電系統(tǒng)，9組儲(chǔ)能電池若同時(shí)充電，2到3小時(shí)即可充滿(mǎn)，充滿(mǎn)1次可航行50個(gè)小時(shí)，航程可達(dá)500公里。
鋰離子電池在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。其中，鋰離子電池安全問(wèn)題是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。軍用艦船對(duì)鋰離子電池的安全性要求高，解決鋰離子電池安全性問(wèn)題是一個(gè)系統(tǒng)工程。
鋰離子電池安全性以預(yù)防為主，滅火為輔，需在電芯熱失控階段實(shí)施阻斷電芯間換熱、疏導(dǎo)失控電芯熱量至外界、滅明火、隔離空氣、隔離電池?zé)崾Э貒姵鑫锏雀深A(yù)措施[9]。后續(xù)在系統(tǒng)級(jí)防護(hù)中，輔以有效的滅火劑噴淋，在電池管理系統(tǒng)及人為干預(yù)控制下的合理噴射時(shí)間與劑量。
其中，熱量的阻斷和疏導(dǎo)是控制熱失控、解決電池模塊或電池組安全問(wèn)題的關(guān)鍵步驟。通過(guò)增大電池之間的熱阻可以有效削弱電池之間的熱傳導(dǎo)。疏導(dǎo)熱失控電池產(chǎn)生的熱量可通過(guò)填充導(dǎo)熱材料，增加導(dǎo)熱途徑如風(fēng)冷、液冷等。緊急情況下直接對(duì)熱失控單體噴淋液氮、純水等介質(zhì)。
經(jīng)過(guò)多層安全防護(hù)措施，提高鋰離子電池系統(tǒng)的安全性，實(shí)現(xiàn)即使鋰離子電池單體發(fā)生熱失控，但熱失控范圍可控制在模塊內(nèi)部，不會(huì)出現(xiàn)模塊之間的熱失控傳播，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)層級(jí)安全，滿(mǎn)足鋰離子電池在艦船軍事領(lǐng)域上應(yīng)用的要求。
3、鋰離子電池艦船應(yīng)用前景
鉛酸蓄電池經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)、改進(jìn)，已基本達(dá)到其綜合電化學(xué)性能的極限，未來(lái)改進(jìn)空間較小，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有艦船對(duì)動(dòng)力電源的需要。鋰離子電池在民用電動(dòng)船舶已得到了規(guī)模化應(yīng)用，在國(guó)外潛艇等艦船領(lǐng)域得到了裝備應(yīng)用，是艦船電池技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。
因而，隨著鋰離子電池安全性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的攻克，鋰離子電池在潛艇、航母以及水面艦等領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)迅速發(fā)展，大幅提升裝備性能。同時(shí)，隨著艦船向全電推進(jìn)方向發(fā)展以及綜合電力系統(tǒng)的應(yīng)用，電磁彈射、電磁炮、電磁魚(yú)雷發(fā)射等對(duì)高功率電池技術(shù)需求迫切，鋰離子電池的高功率特性將在該領(lǐng)域發(fā)揮巨大優(yōu)勢(shì)和重要作用。
