先進(jìn)水下電池應(yīng)用發(fā)展分析

先進(jìn)水下電池應(yīng)用發(fā)展分析

近年，鋰離子電池、氫氧燃料電池、微生物燃料電池等先進(jìn)電池技術(shù)在水下領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，可靠性也不斷長，為無人潛航器、潛艇AIP系統(tǒng)以及水下儲能/充電設(shè)備提供了更好的電力支持。

一、 鋰離子電池技術(shù)

鋰離子電池具有輸出電壓高、循環(huán)特性好、比能高、自放電小、工作溫度范圍寬等一系列優(yōu)點，隨著其安全設(shè)計不斷加強，在水下平臺動力和儲能系統(tǒng)領(lǐng)域應(yīng)用也不斷加速。

無人動力方面，2019年，美通用原子電磁系統(tǒng)公司開始為美海軍研發(fā)鋰離子容錯電池（LiFT），旨在避免電池間的級聯(lián)故障，并于2020年4月裝備至干式作戰(zhàn)潛水器，交付美特種作戰(zhàn)司令部。2019年，挪威為其“休金”無人潛航器裝備了加拿大海妖機器人公司的鋰聚合物電池。該電池采用耐壓硅樹脂封裝技術(shù)，無需壓力外殼，同時還配備了防火墻、保險絲、玻纖導(dǎo)管和防爆箱等安全設(shè)施。

常規(guī)潛艇動力方面，2020年3月，日本首艘裝備鋰離子動力電池的“凰龍”號潛艇服役，采用了日本湯淺公司的LM型系列鋰離子電池，取代該級前10艘鉛酸蓄電池及斯特林AIP系統(tǒng)。后續(xù)的12號艇“登龍”號及“大鯨”級潛艇均采用相同的鋰離子電池技術(shù)。2021年6月，韓國韓華防務(wù)公司在首爾國際海事國防工業(yè)展覽會上展示了其新型潛艇鋰離子電池模型，并計劃用于2026年服役的“安昌浩”級潛艇。

圖 1 日本“凰龍”號潛艇用鋰離子電池

水下儲能鋰離子電池方面，2022年1月，英國Verlume公司向美海軍交付了HALO海底鋰離子電池儲能系統(tǒng)，可為無人潛航器、遙控潛航器等海底裝備提供無間斷電力。2022年12月，德國SubCtech公司推出其新型鋰離子電池海底儲能系統(tǒng)，可在船只和遙控潛航器控制下錨定在海床上，為海上石油和天然氣開采供電。該系統(tǒng)由12個鋰離子電池模塊組成，總?cè)萘靠蛇_(dá)1兆瓦時，還配備了“智能BMS管理中心”，以監(jiān)控系統(tǒng)整體狀態(tài)和提供外部組件接口。

圖 2 英國Velume公司HALO儲能系統(tǒng)

圖 3 德國SubCtech公司海底儲能系統(tǒng)

二、 氫氧燃料電池技術(shù)

氫氧燃料電池具有比能高、運行噪音低、安全性優(yōu)良等優(yōu)點，已廣泛用于國外各型無人潛航器、潛艇AIP系統(tǒng)以及水下儲能設(shè)備。目前水下氫氧燃料電池用氫氣主要來自于高壓儲氫罐，金屬氫化物以及利用甲醇、乙醇等液體燃料為原料的重整反應(yīng)，其中重整制氫技術(shù)進(jìn)展顯著。

無人動力方面，由澳大利亞皇家海軍投資，細(xì)胞機器人公司研制的“海狼”超大型無人潛航器原型Solus-LR已于2022年1月完成燃料電池系統(tǒng)耐久性測試，7月完成整機水下任務(wù)演示。其質(zhì)子交換膜氫氧燃料電池采用雙堆棧設(shè)計和高壓儲氫儲氧，容量250千瓦時，功率1200瓦，可為潛航器提供2000千米續(xù)航力。

潛艇動力方面，2020年2月，西班牙海軍S80型潛艇生物乙醇重整制氫燃料電池系統(tǒng)通過最終測試，2022年5月完成首艘海試。生物乙醇經(jīng)重整室和一氧化碳優(yōu)先氧化（COPROX）反應(yīng)室轉(zhuǎn)化為高純氫氣，為燃料電池供電。剩余二氧化碳通過噴射式文丘里洗滌器與海水混合，并通過SECO2系統(tǒng)溶解在海水排出，實現(xiàn)高隱身性能。2022年2月，韓國完成潛艇燃料電池甲醇重整制氫工程樣機研發(fā)。該裝置主要由氫氣發(fā)生單元、氫氣凈化單元、熱管理單元及控制單元構(gòu)成等。與韓現(xiàn)役潛艇燃料電池金屬氫化物儲氫相比，甲醇重整裝置緊湊簡單，具備更高的儲氫效率，無需額外的注氫設(shè)備，預(yù)計將率先裝備韓國“安昌浩”級（KSS-III型）潛艇。

圖 4 西班牙S80型潛艇燃料電池艙段示意圖

圖 5 韓國潛艇用燃料電池甲醇重整制氫工程樣機

水下儲能方面，美國泰萊達(dá)公司于2022年1月在挪威完成其“超級充電器”（SuperCharger）海底燃料電池電源系統(tǒng)水下測試。該系統(tǒng)主要由燃料電池模塊、功率監(jiān)測模塊、氫氧存儲罐及聲學(xué)模塊構(gòu)成，穩(wěn)定輸出功率8千瓦，容量共計3兆瓦時，可為遙控潛航器、無人潛航器及其他油氣生產(chǎn)設(shè)備等深海裝備供電。

圖 6 美國泰萊達(dá)公司“超級充電器”海底儲能系統(tǒng)

三、其他水下電池技術(shù)

其他常見的先進(jìn)水下電池主要包括微生物燃料電池、鋰硫電池和金屬海水燃料電池等。

微生物燃料電池利用微生物代謝過程發(fā)電，具有續(xù)航力長、隱蔽性強、成本低等優(yōu)點，可為小功率無人潛航器或傳感器網(wǎng)絡(luò)等海底監(jiān)視與偵查裝備供電。2021年4月，美海軍信息戰(zhàn)中心太平洋分部研制了石英芯片型微生物燃料電池，進(jìn)一步提高了功率密度。美海軍2023財年預(yù)算計劃持續(xù)推進(jìn)新材料與電活性細(xì)菌研究，并研發(fā)變深度可自埋藏的微生物燃料電池，為半潛式無人潛航器等新型水下裝備供能。

圖 7 美海軍信息戰(zhàn)中心太平洋分部研制石英芯片微生物燃料電池

鋰硫電池是以硫或硫基復(fù)合材料作為正極，鋰為負(fù)極的新型儲能系統(tǒng)，與傳統(tǒng)鋰離子電池相比，具有理論比容量高、安全性好、儲存成本低、對環(huán)境友好及硫正極價格低廉等優(yōu)點。2020年，OXIS公司成功測試其471瓦時/千克鋰硫電池原型，并計劃繼續(xù)研發(fā)500瓦時/千克級鋰硫電池。

圖 8 英國OXIS公司鋰硫電池樣件

典型金屬海水燃料電池主要包括鋁-水和鋰-水燃料電池等，具有運行環(huán)境溫和、安全穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等特點，比能也較傳統(tǒng)鋰離子電池高，在陽極金屬消耗殆盡后更換即可實現(xiàn)電池的重復(fù)使用。2022年7月，在美國海軍研究署資助下，美國聚加公司（PolyPlus）建立了耐壓鋰-海水電池試點生產(chǎn)線。其鋰-海水電池比能可達(dá)2千瓦時/千克，采用陶瓷基固體電解質(zhì)，保證鋰離子的高效傳導(dǎo)，同時實現(xiàn)金屬鋰與陰極海水的隔絕保護(hù)。

圖 9 美國聚加公司鋰海水電池

四、結(jié)語

未來水下裝備的任務(wù)正向復(fù)雜化和多元化發(fā)展，多種類型電池協(xié)同使用有利于取長補短，是未來水下電池動力系統(tǒng)重要發(fā)展趨勢。水下電池安全性設(shè)計是裝備執(zhí)行任務(wù)的前提保障，其中單體電池穩(wěn)定性和電池組管理系統(tǒng)都是安全性研究重點。此外，燃料電池和鋰離子電池電池組由多個電池單元或棧堆構(gòu)成，改變單電池或堆棧數(shù)量就可構(gòu)成不同功率等級、不同用途的動力系統(tǒng)，技術(shù)通用性強，在不同領(lǐng)域或裝備應(yīng)用上的轉(zhuǎn)化迭代也是其重要發(fā)展路線和趨勢。