淺析各國深海潛器用鋰電池電性能

趙佳歡，劉 飛，周思思，張祥功

應用研究

淺析各國深海潛器用鋰電池電性能

趙佳歡，劉 飛，周思思，張祥功

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

本文以美國、英國、德國等深海裝備動力發(fā)展先進的國家為主要研究對象，對比分析了各國對鋰一次電池及鋰二次電池在深海動力領域應用的研究。通過調(diào)研得出，在鋰動力領域，各國對鋰離子動力電池的研究相對較多，同時電池的應用等級主要在水下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。本研究對深海動力的發(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，看得多清的動力保障。

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（underwater glider，Glider）[1]。深海裝備的動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力。本文將對近幾年來各國深海鋰電池的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)水平及發(fā)展趨勢做簡要的分析介紹。

1 鋰一次電池

為了滿足對深海探索、探查/識別、以及監(jiān)控偵察、載荷運送、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、遠航程、長航時、機動性能好、搭載平臺靈活的特點，因此要求深海動力電池具有工作電壓高、放電平臺電壓穩(wěn)定、高比能量、長儲存壽命以及免維護的特點。鋰一次電池中鋰/亞硫酰氯電池比能量很大，一般可達420 Wh/kg，低速率放電時最高達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，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年或更長時間。早在2000年的時候，鋰/亞硫酰氯電池就被研制應用于遠程水雷偵查系統(tǒng)（LMRS），用于雷區(qū)情報收集和水雷識別定位。LMRS應用高能量密度的鋰/亞硫酰氯電池，可在水下工作深度為12～460 m，航程可達200 km，日工作區(qū)域達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，導致深海裝備經(jīng)過儲存后，出現(xiàn)明顯鈍化、激活時間過長；電性能參數(shù)在其儲存壽命內(nèi)衰減至不能滿足工作要求，以及安全性變差。[3]國內(nèi)研究者目前對Li/MnO2、 Li/SO2、 Li/SOCl2、 Li/CFx、 Li/CFx-MnO2等幾種高性能鋰一次電池進行研究，這些一次電池在保持其高比能的同時，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、信息收集、深?？疾斓阮I域有更高的應用價值。

由美國水螅公司生產(chǎn)的REMUS系列無人潛航器都應用鋰離子電池，其中，REMUS-6000應用一個帶耐壓外殼的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，充電時間8小時，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，使用壽命長達10年，最大水深達500 m。該電池總標稱容量為132 kWh，峰值功率輸出高達15 kW。

圖1 SUBSEA電池

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

由美國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，27.5海里的遠距離無人反水雷測試任務。該潛航器使用鋰離子電池，航程可達80海里，同時提供長達40 h的適用壽命，航速最高可達3海里/小時（3k）。

由美國克雷肯機器人公司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力，完成720 h的水下耐久性。航行時間為20～48 h，可下潛至6 000 m的深度。

英國RS Aqua公司為ROV和AUV執(zhí)行長期監(jiān)控與傳感器部署任務設計了PowerPack –大容量深海鋰離子電池，PowerPacks?提供一系列標準配置，容量從650到5 210 Wh，4種標準電壓：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SubCtech在深海動力方面有幾個代表性電池，電池主要輸出電壓為14 V、24 V、200 V和400 V。

SubCtech PowerPacks?標準電池提供不同的標準配置，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?標準電池

大功率高能量鋰離子PowerPack?參數(shù)如下。標準容量：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50 A；應用范圍為水下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，電壓范圍在14 V至400 V，功率最高達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EAS電池公司推出新型船載模塊化電池系統(tǒng)。靈活的拓撲結(jié)構(gòu)可以使電池模塊靈活組合。此外EASy-Marine?模塊混合動力系統(tǒng)將電池和柴油發(fā)電機組結(jié)合在一起，其目標是將燃料消耗保持在最佳點，并始終保持在最佳水平。"有了EASyMarine?，每艘船可節(jié)省多達30%的柴油。同時該電池還可以和氫燃料電池一起高效的運用。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Kraken Power研制了以可承受600bar靜水壓力（相當于6 000 m水深）的電力驅(qū)動系統(tǒng)，以及基于功率范圍在1.6 kWh到幾MWh的能量供應系統(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償結(jié)構(gòu)，同時采用專有的真空技術(shù)封裝聚合物。與充油補償系統(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，維護成本低。

2.2 鋰聚合物電池

近幾年應用在深海裝備中的二次電池中，鋰聚合物電池應用的較為廣泛。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力，可在8 h內(nèi)完成充電，同時內(nèi)置安全系統(tǒng)，可避免過充和過放以及一般使用的危險。最高航速可達5.2 kt，該潛航器可在3 kt速度下執(zhí)行任務72 h，在4 kt速度下52 h，可下潛至6000 m的深度。

美國通用動力公司研發(fā)出耐壓鋰聚合物電池，電池系統(tǒng)內(nèi)部配置保護、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無人潛航器動力系統(tǒng)配置4個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采用模塊化設計，維護人員可在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6 kt（11.1 km/h），可以以5 kt的航速開展測量工作，3 kt的航速在水下運行8小時。Bluefin獨特的電池模式使得在甲板上快速反轉(zhuǎn)保持在兩小時之內(nèi)，無需打開受壓艙就能交換電池。全負荷的電池能為潛航器提供18 h、時速為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150 km。Bluefin的標準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，以及可擴展至148 kWh的電源解決方案。

英國OceanTools研制的OceanCELL-12由單個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包含多個同種類型電池模塊，可延長至4 000 m深度的運行時間。

表4 OceanCELL電池主要參數(shù)

美國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或其他容量選項下提供30 V電壓，可應用于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，在有效解決其活性材料在循環(huán)過程中體積波動大，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能技術(shù)。

英國Steatite公司、OXIS Energy公司、英國MSubs和英國國家海洋學中心于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個大氣壓力和低溫（0～4℃）的嚴酷深海條件下進行工作。同時優(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，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。電池壽命測試中，可達到60～80周。同時，OXIS開發(fā)了一個原型鋰硫袋單元，可以達到470 Wh/kg，預計近期將達到500 Wh/kg，到2025年可達到600 Wh/kg。

3 結(jié)語

在深海動力領域，當前世界各國主要選用鋰離子電池為動力能源，[5]同時兼顧一次電池、其他二次電池、混合動力電池及燃料電池的研究應用。本文研究了當前世界上主要的深海鋰電池的發(fā)展及應用，可以為深海武器裝備、深海探索裝備的動力發(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]. 中國造船, 2020, 61(1): 15.

[2] 荊有澤, 劉志偉. UUV用動力電池現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢[J]. 電源技術(shù), 2019, 43(6): 4.

[3] 葉浩亮, 陳濤, 陳遙沛. 一種AUV鋰-亞硫酰氯電池儲存可靠性試驗評估方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學報, 2017, 25(2): 6.

[4] 代化, 張斌, 徐言哲. UUV動力電池發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]. 艦船科學技術(shù), 2020, 42(12): 4.

[5] 戴國群, 陳性保, 胡晨. 鋰離子電池在深潛器上的應用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]. 電源技術(shù), 2015, 39(8): 5.

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

潛水器設計與試驗重點標準研究（工信部重裝函[2020]313號）

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