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走進鋰電潛艇的前世今生

所屬分類:行業動態    發布時間: 2020-05-25    作者:
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原標題:走進鋰電潛艇的前世今生

本報記者 張 強


鋰電潛艇“凰龍”號

世界首艘以鋰離子電池作為動力的潛艇“凰龍”號

連日來,很多人的朋友圈都被日本新的鋰離子聚合物電池潛艇刷屏。近日,日本第11艘蒼龍級“凰龍”號常規動力潛艇下水,這也是世界上首艘使用鋰離子電池作為動力的潛艇。

早在2014年日本海上自衛隊就宣布,2015年開工的蒼龍級潛艇將革命性地采用鋰離子電池。當時有國外媒體報道,日本蒼龍級潛艇在換裝鋰離子電池的同時還將取消原有的AIP係統,即隻保留鋰電池組+柴油機的動力組合。對於這種革命性的設想,當時的觀點卻不甚統一,很多人對這種頗為激進的設計心存疑慮。“凰龍”號的下水使這種激進的設計變為現實。

瞭望智庫特約研究員易芳指出:“鋰電潛艇是鋰離子聚合物電池成熟情況下,作為改進AIP潛艇電力推進分係統的一種方式,但絕不是僅限於此的先進的方式。”

蓄電池性能製約催生了AIP潛艇

潛艇自問世以來就以其神鬼莫測的隱蔽性、較強的突擊性,成為各個國家積極發展的海戰利器。然而早期的潛艇卻和人們的設想相去甚遠。在人們的設想裏,潛艇應該和科幻小說《海底兩萬裏》中的“鸚鵡螺”號那般,能長時間航行於大洋深處。但技術卻限製了人們的想象力,一直到二戰期間,各國軍隊使用的還是19世紀末期科學家們發明的柴電動力潛艇,即水麵航行時使用內燃機,在水下航行時則使用蓄電池和電動機。而這種設計一直到今天仍然有廣泛的市場。

由於電池技術的限製,柴電潛艇隻能在水下航行10—100個小時,就必須充電。柴油機的運行離不開氧氣,因此必須浮上水麵,或者采用通氣管。這樣一來,其隱蔽性就大大降低。為此,人們也一直在尋找各種方式,來突破這一製約,以核能作為動力就是選擇之一。美國人所設計的世界上首艘核潛艇就使用了“鸚鵡螺”號的名字。但是限於各種製約,核潛艇始終是少數國家的權限。

對於適用範圍更廣的常規動力潛艇來說,究竟有沒有更好的解決辦法呢?

上百年來,由於電池技術進步緩慢,常規動力潛艇一直主要使用著鉛酸電池。鉛酸電池性能穩定可靠,使用的原材料易於獲得且廉價,本身結構簡單易於維護。但隨著電池技術的進步,鉛酸電池的缺點也開始被放大——其體積和重量太大,而儲電比能卻又很低,而且充滿電很費時間,也就是說比起鋰電池等後來者其能量密度比較低。

因此,要增加柴電潛艇水下航行的持續性和隱蔽性,提高電池的儲電能力和效率就變得非常重要。但電池技術的進步顯然不能滿足軍事需求,由此人們研發了不依賴空氣的動力推進係統——AIP係統。

易芳介紹:“早期的AIP潛艇,如‘斯特林’發動機AIP動力核潛艇,主要采用熱力發動機+鉛酸蓄電池組的方式作為電力推進分係統,雖然提高了水下安全性能,但降低了水下航速,增加了係統複雜性。因此,後來又有了閉式循環柴油機動力係統、閉式循環蒸汽輪機動力係統和燃料電池動力係統等方式出現。”

鉛酸電池必將被新式電池取代

AIP潛艇從一定程度上降低了潛艇對蓄電池的要求,但這不意味著潛艇就不需要更好的電池。畢竟,相較柴電潛艇,AIP潛艇的係統更為複雜。

“凰龍”號在維持規格和航速不變的情況下,使用鋰離子電池替換掉整個“斯特林”發動機的AIP動力係統和鉛酸蓄電池。

“凰龍”號所采用的這種設計使得當前較為熱門的AIP潛艇有了新的替代方式,從技術原理上看,又變回了柴電潛艇。

“鉛酸電池存在一係列問題,而且根據其工作原理改進的空間十分有限,而且還需要額外的發動機供電,占用了潛艇過多的空間,因此一旦出現更成熟電池技術,例如鋰離子聚合物電池,就必然會被取代。”易芳說。

鋰電池其實早已在其中武器係統中應用,涵蓋了陸海空天等諸多兵種,比如軍用通信設備、水下機器人、無人偵察機等。軍用設備電源的能量密度、續航時間、體積重量等是影響作戰能力的重要因素,而鋰電池具有的能量密度高、體積小、重量輕、循環壽命長等優勢,成為軍用設備電源的首要選擇。

易芳指出,“由於潛艇潛航時對電力係統的要求很高,一種電池技術如果沒有成熟是不敢貿然使用的,因為一旦供電中斷必然導致潛艇安全事故。因此之前的常規潛艇主要使用成熟的鉛酸蓄電池,直到鋰離子聚合物電池等電池技術逐漸成熟之後,才開始采用新的替代方案。”

鋰電潛艇出現屬於水到渠成

因常規動力潛艇具備獨特優勢,各國技術人員一直在進行不斷地設計改進,包括不斷嚐試各種新式的電池技術。

除了鋰電池之外,技術人員還使用過銀鋅電池。上世紀50年代,美國用“大青花魚”號常規動力高速試驗潛艇試驗過銀鋅電池。有文章指出,1500噸排水量的潛艇使用了220噸電池,可以讓1500噸的潛艇以33節的速度活動1.5小時,這是初次常規潛艇達到核潛艇的運動能力。不過銀鋅電池價格過於昂貴,製造這些電池的銀錠還是從美國國庫中借出來的。

當前,AIP潛艇家族中還有一種燃料電池AIP潛艇,然而燃料電池潛艇和日本的鋰電潛艇有著本質區別。燃料電池屬於一次電池,它可以把燃料的化學能直接轉化為電能,也叫電化學發電器。而蓄電池屬於二次電池,需要進行充放電循環,把電能儲存起來進行放電。

“燃料電池是一種自供能的電池技術。這種潛艇隻要燃料足夠、廢棄物排放科學,是可以在水下長期工作,可以認為是一種‘亞核潛艇’。”易芳說,“而鋰離子電池是一種蓄電池,需要進行充電。也就是說,鋰電潛艇在潛航一段時間以後,也需要上浮至水麵,由柴油發電機組係統進行充電,待充電完成後才能繼續下潛作業。”

很多人關心,鋰電池已在潛艇及眾多武器上得到了應用,那麽它未來是否會在戰場上廣泛應用,或者隻是過渡階段的替代品?未來鋰電潛艇會像現在電動汽車取代燃油汽車那樣,成為未來常規動力潛艇的優先配置嗎?

對此,易芳認為,“鋰電池在常規潛艇上運用隻是其中一種成熟方案,是隨著相關國家技術成熟的出現而出現,主要由於其具有比容量高、單電池輸出電壓高、自放電率低、使用壽命長、安全性能好等優點,成為電力推進分係統的一種選擇而已,也並非過渡階段的替代品,是水到渠成的一種必然選擇。事實上,鈉—氯化鎳等新型高能熱電池也是可供選擇的一種方案。當前,燃料電池AIP潛艇的前景比較好,是未來研究的主要方向,將燃料電池技術與蓄電池技術結合,可以確保常規AIP潛艇更好的安全性。”(張 強)

——轉載自人民網