先進水下電池應用發展分析

先進水下電池應用發展分析

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

一、 鋰離子電池技術

鋰離子電池具有輸出電壓高、循環特性好、比能高、自放電小、工作溫度范圍寬等一系列優點，隨著其安全設計不斷加強，在水下平臺動力和儲能系統領域應用也不斷加速。

無人動力方面，2019年，美通用原子電磁系統公司開始為美海軍研發鋰離子容錯電池（LiFT），旨在避免電池間的級聯故障，并于2020年4月裝備至干式作戰潛水器，交付美特種作戰司令部。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，無需壓力外殼，同時還配備了防火墻、保險絲、玻纖導管和防爆箱等安全設施。

常規潛艇動力方面，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。后續的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。2021年6月，韓國韓華防務公司在首爾國際海事國防工業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，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，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。該系統由12個鋰離子電池模塊組成，總容量可達1兆瓦時，還配備了“智能BMS管理中心”，以監控系統整體狀態和提供外部組件接口。

圖 2 英國Velume公司HALO儲能系統

圖 3 德國SubCtech公司海底儲能系統

二、 氫氧燃料電池技術

氫氧燃料電池具有比能高、運行噪音低、安全性優良等優點，已廣泛用于國外各型無人潛航器、潛艇AIP系統以及水下儲能設備。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，其中重整制氫技術進展顯著。

無人動力方面，由澳大利亞皇家海軍投資，細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耐久性測試，7月完成整機水下任務演示。其質子交換膜氫氧燃料電池采用雙堆棧設計和高壓儲氫儲氧，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通過最終測試，2022年5月完成首艘海試。生物乙醇經重整室和一氧化碳優先氧化（COPROX）反應室轉化為高純氫氣，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系統溶解在海水排出，實現高隱身性能。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。該裝置主要由氫氣發生單元、氫氣凈化單元、熱管理單元及控制單元構成等。與韓現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，無需額外的注氫設備，預計將率先裝備韓國“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水下測試。該系統主要由燃料電池模塊、功率監測模塊、氫氧存儲罐及聲學模塊構成，穩定輸出功率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設備等深海裝備供電。

圖 6 美國泰萊達公司“超級充電器”海底儲能系統

三、其他水下電池技術

其他常見的先進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電，具有續航力長、隱蔽性強、成本低等優點，可為小功率無人潛航器或傳感器網絡等海底監視與偵查裝備供電。2021年4月，美海軍信息戰中心太平洋分部研制了石英芯片型微生物燃料電池，進一步提高了功率密度。美海軍2023財年預算計劃持續推進新材料與電活性細菌研究，并研發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合材料作為正極，鋰為負極的新型儲能系統，與傳統鋰離子電池相比，具有理論比容量高、安全性好、儲存成本低、對環境友好及硫正極價格低廉等優點。2020年，OXIS公司成功測試其471瓦時/千克鋰硫電池原型，并計劃繼續研發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，具有運行環境溫和、安全穩定、結構簡單等特點，比能也較傳統鋰離子電池高，在陽極金屬消耗殆盡后更換即可實現電池的重復使用。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-海水電池試點生產線。其鋰-海水電池比能可達2千瓦時/千克，采用陶瓷基固體電解質，保證鋰離子的高效傳導，同時實現金屬鋰與陰極海水的隔絕保護。

圖 9 美國聚加公司鋰海水電池

四、結語

未來水下裝備的任務正向復雜化和多元化發展，多種類型電池協同使用有利于取長補短，是未來水下電池動力系統重要發展趨勢。水下電池安全性設計是裝備執行任務的前提保障，其中單體電池穩定性和電池組管理系統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成，改變單電池或堆棧數量就可構成不同功率等級、不同用途的動力系統，技術通用性強，在不同領域或裝備應用上的轉化迭代也是其重要發展路線和趨勢。