中国新潜艇为何应装备锂电池 航行暴露率下降2.5倍

2017年03月01日 12:34 新浪军事 微博
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  图:日本苍龙潜艇

  在数年前,日本宣布将在其潜艇上使用锂电池;而根据最新的报道,日本宣称将在今年3月正式开始潜艇锂电池量产,并在明年8月交付。如果日本此举顺利的话,这将是100年来世界潜艇用蓄电池的一次历史性突破。

  对于常规潜艇来说,在水下跑路通常是依靠电池提供电力,由电机驱动前进的;因此电池的性能好坏,直接决定了常规潜艇的诸多关键性能——在水下能跑多快、跑多久,上浮喘气给电池组充电要花多长时间,在提前终止充电又立刻下潜以后,撒开了高速跑的能力有多强,等等等等。

  图:常规潜艇里有很大一部分容积用来装电池组,当然这些电池组本身还有作为配重控制全艇重心的作用

  除了极少数例外——比如德国选用燃料电池,是通过氢、氧等在电池内反应,本身直接发生电力以外;目前各国主流的常规潜艇,用的还是蓄电池,更准确的说,全部都是铅酸蓄电池——和绝大部分常规能源汽车(不包括电动车、混动车)用的是同类产品。这种电池最大的优势,就是安全性非常好——当然这是相对来说的;铅酸电池本身存在析出氢气的问题,如果维护和使用不当,同样存在起火爆炸可能性。

 

  图:铅酸电池本身需要比较复杂的维护和监测系统进行辅助,才能保持稳定的性能工作状态

  但是铅酸电池本身的性能缺陷很多。首先就是电池笨重、体积大,但是容量却比较低。其次铅酸电池的容量还具备非常大的使用限制——在高功率大电流放电的状态,和低功率小电流放电的状态下,容量能差到一倍以上。对于潜艇这种非常大的动力设备,大容量的铅酸电池组需要很复杂的辅助系统支持:包括酸液循环系统,电池舱冲洗系统,以及针对氢气析出风险的氢气监测和复合系统等等。

  图:传统上的潜艇高性能电池发展路线还有很多,其中一部分技术成熟但是价格高昂,注定不会成为主流,比如银锌电池——它们更多的用在鱼类和小型特种潜艇上。而其它的路线,包括钠硫高温电池等,虽然理论性能极为优越,但是都离实用化遥遥无期。

  而这些铅酸电池的缺陷,在锂电池上基本都不存在。锂电池轻巧、体积小而容量大,无所谓记忆效应,大电流放电时的有效容量下降远远小于铅酸电池,电池全功率运行不受充电状态影响,充电过程全部在第一阶段完成,充电快而且能使柴油机一直保持最佳效率运行,而且电池基本上全寿命期间不需要额外维护。

  图:锂电池的技术进步和成熟,是靠全球民用市场撑起来的,没有任何一个国家的军队能独立支持起来

  这其中大量的优点,正是锂电池眼下被广泛引用在手机、笔记本电脑上的关键原因。而当它取代潜艇的铅酸电池组(以相同体积作为限制条件计算)的时候,可以在高功率(比如高速前进)下获得200%以上的电池容量;在经济巡航的情况下,可以获得130%以上;潜艇航行过程的暴露率下降2.5倍。

  实际上从锂电池兴起的时刻起,它就被视为极具潜力的未来潜艇动力电池发展方向。但是锂电池在安全性上的不足——特别是大量锂电池串并联时,由于电池本身制造的一致性差异,引发个别电池过充过放,最后导致热失控引发起火爆炸等问题;使得它在潜艇、飞机上的应用被局限的很厉害。

 

 

  图:波音787由于对锂电池的体积过度压缩,导致热失控引发火灾,而且阻燃措施不足

  不过现在的锂电池单纯从技术上讲,安全性已经比早期的锂金属电池和液态锂离子电池强得多了;包括波音787电池组起火等事故,多数都是由于过度压缩电池组体积等设计缺陷引发的。理论上讲,目前锂电池确实已经在先进电池控制系统等技术的辅助下,满足最严苛的使用标准。

  从总体上讲,锂电池技术的成熟,与它在全球民用市场上的发展是分不开的。庞大的商业市场竞争,使得锂电池本身获得的研发投入——包括资金、优秀的研发人员,都远远超过封闭的专门军用技术。这个规律将同样体现在其它电池上。从这个角度来看,中国潜艇下一代动力电池的发展方向,肯定也是锂电池。(作者署名:候知健)

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