国外先进水下电池应用发展分析
国外先进水下电池应用发展分析
近年，锂离子电池、氢氧燃料电池、微生物燃料电池等先进电池技术在水下领域的应用日益广泛，可靠性也不断长，为无人潜航器、潜艇AIP系统以及水下储能/充电设备提供了更好的电力支持。
一、 锂离子电池技术
锂离子电池具有输出电压高、循环特性好、比能高、自放电小、工作温度范围宽等一系列优点，随着其安全设计不断加强，在水下平台动力和储能系统领域应用也不断加速。
无人动力方面，2019年，美通用原子电磁系统公司开始为美海军研发锂离子容错电池（LiFT），旨在避免电池间的级联故障，并于2020年4月装备至干式作战潜水器，交付美特种作战司令部。2019年，挪威为其“休金”无人潜航器装备了加拿大海妖机器人公司的锂聚合物电池。该电池采用耐压硅树脂封装技术，无需压力外壳，同时还配备了防火墙、保险丝、玻纤导管和防爆箱等安全设施。
常规潜艇动力方面，2020年3月，日本首艘装备锂离子动力电池的“凰龙”号潜艇服役，采用了日本汤浅公司的LM型系列锂离子电池，取代该级前10艘铅酸蓄电池及斯特林AIP系统。后续的12号艇“登龙”号及“大鲸”级潜艇均采用相同的锂离子电池技术。2021年6月，韩国韩华防务公司在首尔国际海事国防工业展览会上展示了其新型潜艇锂离子电池模型，并计划用于2026年服役的“安昌浩”级潜艇。
图 1 日本“凰龙”号潜艇用锂离子电池
水下储能锂离子电池方面，2022年1月，英国Verlume公司向美海军交付了HALO海底锂离子电池储能系统，可为无人潜航器、遥控潜航器等海底装备提供无间断电力。2022年12月，德国SubCtech公司推出其新型锂离子电池海底储能系统，可在船只和遥控潜航器控制下锚定在海床上，为海上石油和天然气开采供电。该系统由12个锂离子电池模块组成，总容量可达1兆瓦时，还配备了“智能BMS管理中心”，以监控系统整体状态和提供外部组件接口。
图 2 英国Velume公司HALO储能系统
图 3 德国SubCtech公司海底储能系统
二、 氢氧燃料电池技术
氢氧燃料电池具有比能高、运行噪音低、安全性优良等优点，已广泛用于国外各型无人潜航器、潜艇AIP系统以及水下储能设备。目前水下氢氧燃料电池用氢气主要来自于高压储氢罐，金属氢化物以及利用甲醇、乙醇等液体燃料为原料的重整反应，其中重整制氢技术进展显著。
无人动力方面，由澳大利亚皇家海军投资，细胞机器人公司研制的“海狼”超大型无人潜航器原型Solus-LR已于2022年1月完成燃料电池系统耐久性测试，7月完成整机水下任务演示。其质子交换膜氢氧燃料电池采用双堆栈设计和高压储氢储氧，容量250千瓦时，功率1200瓦，可为潜航器提供2000千米续航力。
潜艇动力方面，2020年2月，西班牙海军S80型潜艇生物乙醇重整制氢燃料电池系统通过最终测试，2022年5月完成首艘海试。生物乙醇经重整室和一氧化碳优先氧化（COPROX）反应室转化为高纯氢气，为燃料电池供电。剩余二氧化碳通过喷射式文丘里洗涤器与海水混合，并通过SECO2系统溶解在海水排出，实现高隐身性能。2022年2月，韩国完成潜艇燃料电池甲醇重整制氢工程样机研发。该装置主要由氢气发生单元、氢气净化单元、热管理单元及控制单元构成等。与韩现役潜艇燃料电池金属氢化物储氢相比，甲醇重整装置紧凑简单，具备更高的储氢效率，无需额外的注氢设备，预计将率先装备韩国“安昌浩”级（KSS-III型）潜艇。
图 4 西班牙S80型潜艇燃料电池舱段示意图
图 5 韩国潜艇用燃料电池甲醇重整制氢工程样机
水下储能方面，美国泰莱达公司于2022年1月在挪威完成其“超级充电器”（SuperCharger）海底燃料电池电源系统水下测试。该系统主要由燃料电池模块、功率监测模块、氢氧存储罐及声学模块构成，稳定输出功率8千瓦，容量共计3兆瓦时，可为遥控潜航器、无人潜航器及其他油气生产设备等深海装备供电。
图 6 美国泰莱达公司“超级充电器”海底储能系统
三、其他水下电池技术
其他常见的先进水下电池主要包括微生物燃料电池、锂硫电池和金属海水燃料电池等。
微生物燃料电池利用微生物代谢过程发电，具有续航力长、隐蔽性强、成本低等优点，可为小功率无人潜航器或传感器网络等海底监视与侦查装备供电。2021年4月，美海军信息战中心太平洋分部研制了石英芯片型微生物燃料电池，进一步提高了功率密度。美海军2023财年预算计划持续推进新材料与电活性细菌研究，并研发变深度可自埋藏的微生物燃料电池，为半潜式无人潜航器等新型水下装备供能。
图 7 美海军信息战中心太平洋分部研制石英芯片微生物燃料电池
锂硫电池是以硫或硫基复合材料作为正极，锂为负极的新型储能系统，与传统锂离子电池相比，具有理论比容量高、安全性好、储存成本低、对环境友好及硫正极价格低廉等优点。2020年，OXIS公司成功测试其471瓦时/千克锂硫电池原型，并计划继续研发500瓦时/千克级锂硫电池。
图 8 英国OXIS公司锂硫电池样件
典型金属海水燃料电池主要包括铝-水和锂-水燃料电池等，具有运行环境温和、安全稳定、结构简单等特点，比能也较传统锂离子电池高，在阳极金属消耗殆尽后更换即可实现电池的重复使用。2022年7月，在美国海军研究署资助下，美国聚加公司（PolyPlus）建立了耐压锂-海水电池试点生产线。其锂-海水电池比能可达2千瓦时/千克，采用陶瓷基固体电解质，保证锂离子的高效传导，同时实现金属锂与阴极海水的隔绝保护。
图 9 美国聚加公司锂海水电池
四、结语
未来水下装备的任务正向复杂化和多元化发展，多种类型电池协同使用有利于取长补短，是未来水下电池动力系统重要发展趋势。水下电池安全性设计是装备执行任务的前提保障，其中单体电池稳定性和电池组管理系统都是安全性研究重点。此外，燃料电池和锂离子电池电池组由多个电池单元或栈堆构成，改变单电池或堆栈数量就可构成不同功率等级、不同用途的动力系统，技术通用性强，在不同领域或装备应用上的转化迭代也是其重要发展路线和趋势。