除日本以外,印度、德国、法国、韩国等竞相研发部署常规潜艇锂离子电池,高能量锂离子电池替代铅酸电池已成为未来常规潜艇的重要发展方向。2018年2月,印度国防部在发布的新版《技术展望与能力路线图》中明确提出要采购10套潜用锂离子电池系统。

日本“苍龙”级“凰龙”号锂离子电池潜艇,成为世界上第一艘采用锂离子电池技术的潜艇
潜艇和手机都用了锂电池,而且这俩原理一样哦。 2018年10月,德国蒂森克虏伯海事系统公司与法国帅福得公司合作研发出了新型潜艇锂离子电池系统,电池的设计符合海洋环境使用、安全性和电化学安全要求,并已通过一系列试验,证实了电池本体和系统层面上的安全性。同月,法国海军集团研发出一种高性能、安全性好的LIBRT新型潜艇锂离子电池系统,其能量密度是现役铅酸电池的两倍,同时还可显著缩短充电时间。
按照日媒披露的消息,采用柴油机+斯特林发动机+铅酸电池的“苍龙”级潜艇动力系统平均造价约558亿日元,而采用锂离子电池作为水下动力源平均造价则高达640亿日元。造价更加高昂的锂离子电池动力系统何以取代传统铅酸电池,成为各国竞相研发部署的常规潜艇动力“新宠”? 锂离子电池相比传统潜艇电池的优势
与传统潜艇电池(铅酸、镍镉、银锌等)系统相比,锂离子电池具有单电池电压高、电池容量大、使用寿命长等优点,具体包括以下几点。 一是增强常规潜艇水下续航力,提高隐蔽性。隐蔽性是潜艇最为关键的性能参数之一。锂离子电池具备高能量密度和高效能,其中重量比能为铅酸电池的3倍,体积比能在2倍以上。在储能效率上,法国研制的锂离子电池储能效率高达95%,明显优于传统铅酸电池(一般不超过60%)。此外,在同等航程情况下,采用高能量锂离子电池的潜艇可减少约10%~25%的上浮充电次数。由于锂离子电池压降较小,可用较高的电流保持长时间充电,上浮充电时间亦少于铅酸电池,进一步提高了常规潜艇隐蔽性能。

图为日本GS汤浅公司(GS Yuasa)制造的锂离子电池,该公司为诸多国防应用开发和生产先进的电池动力系统
二是优化了潜艇有效负载配置。由于同等电能的锂离子电池体积,仅为铅酸电池体积的1/2,采用锂离子电池可显著减少电池舱所占空间,优化潜艇*器武**装备或探测设备布置,提高潜艇综合作战能力。 三是维护保养便利,使用成本低。虽然锂离子电池成本较高,但由于锂离子电池系统没有记忆效应,在作战使用中几乎不用进行深度放电、周期治疗等维护保养活动。此外,锂离子电池使用寿命更长达10~15年,是传统铅酸电池的2倍。综合来看,虽然锂离子动力系统建造成本高于铅酸电池,但其使用成本要低于铅酸电池。

图为法国为澳大利亚打造的“短鳍梭鱼”潜艇示意图,采用锂离子动力系统。
锂离子电池上艇应用的“绊脚石”
安全性是锂离子电池上艇使用的前提,安全保障措施和技术是艇载锂离子电池发展的重点。锂离子电池以往存在安全性差和易发生爆炸的危险,一旦失控燃烧,会立刻产生非常高的热量,释放有毒烟雾并排放出导电尘埃,并且很难扑灭。由于锂离子电池过热,2013年1月7日,日本航空公司由东京飞抵波士顿的一架波音787客机,下客数分钟后辅助动力系统(APU)电瓶组件起火,客舱内冒出烟雾。
同样是锂离子电池,使三星Note7手机频频发生自燃而被列为“危险品”。2008年美国“海豹”特种部队的迷你潜艇的锂离子电池也曾在珍珠港发生自燃。显然,这种电池的过热和自燃的可能性,对于装有数百个锂电池的潜艇来说,也是一个噩梦般的存在。
德国、法国在研制艇载锂离子电池系统中,不惜牺牲电池部分重量比能来提升电池安全性,并采取研制电池安全管理系统、采用冗余设计、研发新型电池材料等措施消除锂电池安全隐患,确保电池上艇使用安全。日本多年来投入数十亿美元用于锂离子电池技术攻关,通过构建更大的锂离子电池矩阵来确保安全性。此外,锂离子电池供应商还与日本海上自卫队合作进行了短路、盐水侵入、跌落和冲击试验,以验证锂离子电池的安全性。这些措施均使锂离子电池朝着更高的安全性和可靠性方向发展。