锂电池舰船使用现状及前景

舰船蓄电池，是供舰船动力、照明、通信、信号和应急电源的化学电源装备。目前，铅酸电池以安全可靠、价格低廉成为潜艇、航母、水面舰等舰船范畴使用的紧要蓄电池。

例如，国外潜艇用铅酸电池加工国家紧要有德、英、法、俄、希腊等国，最先进的潜艇动力蓄电池有德国85型蓄电池和俄罗斯476型蓄电池，这两型蓄电池不仅比能高，寿命长（达5年以上），而且在析氢量方面也大幅降低。

锂离子动力锂电池具有比能量高、充放电特性好、正常使用无析氢析酸、循环寿命长、使用维护简便等优点，能较好的克服铅酸电池存在的不足，国外已实现舰船使用，国内已经积累了电动车、电网储能、无人系统移动平台等范畴使用相关相关经验。

本文重点解析锂电池技术及其在舰船行业的使用现状和前景。

1、锂电池工作原理及优点

与铅酸蓄电池相比，锂电池有如下特点（见表1）：

锂电池能量密度高、倍率性能好、循环寿命长、免维护，是较为理想的潜艇动力锂电池之一，作为舰船备用电池可满足减重、免维护等需求。同时，随着舰船向全电推进方向发展，高能电磁武器对高功率电源技术需求急切，锂电池的高功率特性可满足高能电磁武器发展需求，具有巨大的使用前景。

2、锂电池在舰船范畴使用现状

2.1、国外使用现状

国外锂电池在民用电动船舶以及军用潜艇等范畴已得到较为实际使用。

锂电池在民用电动船舶范畴（如表2所示）紧要用于混合动力和纯电动力电动船舶，锂离子动力锂电池系统总能量可达到几百千瓦时至兆瓦时，采用的锂电池体系包括磷酸铁锂电池和三元锂电池。船用模块为了满足系统大能量需求，要大规模阵列设计，以货架或电池柜形式布置。船用推进系统电压一般在600-1000V左右，一般将电池分簇管理，每个电池簇之间并联，通过能源管理系统控制充放电。

锂电池系统在军用舰船范畴上的使用得到了飞快的发展，2005年，军用单艇采用了1.5kWh的锂电池系统，到2006年，已经扩展到15kWh，至2011年，锂电池系统在潜艇和水面舰艇上的使用已超过1000kWh（图2）。

同时，国外紧要军事强国在潜艇用锂离子动力锂电池范畴已经取得冲破性进展。日本已成功实现2艘潜艇换装锂电池。日本苍龙级“凰龙”号是首艘配备锂电池的潜艇（图3a）于2018年十月下水，采用日本汤浅公司的锂电池取代了传统的铅酸以及AIP系统，成为日本首艘，同时也是世界首艘采用锂电池作为主动力的潜艇，可实现蓄电容量将增至2倍左右，续航力翻倍。2019年十一月六日，“苍龙”级潜艇的12号舰“登龙”（图3b）的潜艇下水，同样采用锂电池作为动力。日本接下来的新一代潜艇，将搭载与“凰龙”号和“登龙”号同样的锂电池。其他发达国家也开始在潜艇设计办法中采用锂电池作为动力系统，德国德森克虏伯公司与德国GAIA锂电池技术公司签订了研发用于有人驾驶船舶的大型锂电池技术合同，并于2011年九月明确提出，在216型潜艇（图3c）推进系统设计办法中，采用锂电池取代铅酸蓄电池。2008年，法国海军集团公司与SAFT公司签署协议，正式开展潜艇锂离子动力系统研制工作。2014年，法国海军首度公开了“短鳍梭鱼”级常规潜艇，该潜艇将采用锂电池动力系统。2017年七月，俄罗斯完成第五代常规潜艇“卡琳娜”级初步设计工作，该艇动力系统也将采用锂电池和俄罗斯新研发的制氢AIP系统。2016年，韩国正式开展本国自主设计的KSS-3型潜艇（图3d）研制工作并开工建造，计划从4号艇开始采用锂电池动力系统，该系统由韩国三星集团负责。

2.2、国内使用现状

国内锂电池在电池车、储能范畴大规模使用的基础上，近几年在电动船舶范畴的使用发展迅速，相关规范逐步建立。其中，我国船级社《纯电池电动船舶检验指南》（2019）已经公布。出于安全性考虑，国内电动船舶范畴使用的锂电池紧要以磷酸铁锂电池为主。长江“君旅号”电动船（如图4a所示）是目前长江上首艘载人游轮，载客量达到300，电池系统总能量达到2.2MWh，单次洋溢电可航行8h，由中船重工第712研究所供应包括锂电池系统在内的整套动力系统（如图4b所示）。同时，锂电池在电动自卸船、货船以及东湖游船等景区游览船范畴迎来了爆发式上升。广船国际有限公司建造的2000吨级电动自卸船（如图4c所示），船上安装有重达26吨的超级电容和超大功率锂电池，整船电池容量约为2400千瓦时，约2小时即可完成充电，满载情况下可续航80公里；上海瑞华集团改造的500吨级纯电动货船（如图4d所示），该船以160千瓦变频电机为动力推进系统，配备了9组磷酸铁锂动力锂电池包和超级电容为储能及标准岸电充电系统，9组储能电池若同时充电，2到3小时即可洋溢，洋溢1次可航行50个小时，航程可达500公里。

锂电池在军用范畴的使用奠定了良好的使用基础。其中，锂电池安全问题是要处理的关键技术难题。军用舰船对锂电池的安全性要求高，处理锂电池安全性问题是一个系统工程。

锂电池安全性以防止为主，灭火为辅，需在电芯热失控阶段执行阻断电芯间换热、疏导失控电芯热量至外界、灭明火、隔离空气、隔离电池热失控喷出物等干预措施[9]。后续在系统级防护中，辅以有效的灭火剂喷淋，在电池管理系统及人为干预控制下的合理喷发时间与剂量。

其中，热量的阻断和疏导是控制热失控、处理电池模块或电池包安全问题的关键步骤。通过增大电池之间的热阻可以有效削弱电池之间的热传导。疏导热失控电池出现的热量可通过填充导热材料，新增导热途径如风冷、液冷等。紧急情况下笔直对热失控单体喷淋液氮、纯水等介质。

经过多层安全防护措施，提高锂电池系统的安全性，实现即使锂电池单体发生热失控，但热失控范围可控制在模块内部，不会出现模块之间的热失控传播，实现电池系统层级安全，满足锂电池在舰船军事范畴上使用的要求。

3、锂电池舰船使用前景

铅酸电池经过多年的研发、改进，已基本达到其综合电化学性能的极限，将来改进空间较小，已无法满足现有舰船对动力电源的要。锂电池在民用电动船舶已得到了规模化使用，在国外潜艇等舰船范畴得到了装备使用，是舰船电池技术的紧要发展方向之一。

因而，随着锂电池安全性关键技术问题的攻克，锂电池在潜艇、航母以及水面舰等范畴将迎来迅速发展，大幅提升装备性能。同时，随着舰船向全电推进方向发展以及综合电力系统的使用，电磁弹射、电磁炮、电磁鱼雷发射等对高功率电池技术需求急切，锂电池的高功率特性将在该范畴发挥巨大优点和紧要用途。

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