锂离子电池在深潜器上的应用现状及发展趋势

戴国群，陈性保，胡 晨

(1.北京神州远望科技有限公司，北京100029；2.珠海市赛纬电子材料有限公司，广东珠海519000；3.中国电力科学研究院，北京100192)

锂离子电池在深潜器上的应用现状及发展趋势

戴国群1，陈性保2，胡 晨3

(1.北京神州远望科技有限公司，北京100029；2.珠海市赛纬电子材料有限公司，广东珠海519000；3.中国电力科学研究院，北京100192)

深潜器是开展水下作业的重要平台。先进能源技术是决定深潜器续航能力和航速的关键技术，是衡量深潜器性能优劣的重要指标。对国内外典型深潜器所采用的动力能源类型进行了介绍，重点对锂离子电池在深潜器上的应用方式进行了剖析。通过与深潜器上传统电池性能的比较，认为锂离子电池具有高能量密度、长寿命、高安全性、低成本与免维护等优点，将成为新一代深潜器(HOV，UUV)最有发展前途的能源技术之一。

锂离子电池；深潜器；压力补偿；耐压电池；油浸；裸潜

随着材料技术、制造技术和水下通讯技术的飞速发展，各类水下深潜器如雨后春笋般涌现。新一代锂离子电池技术的出现和发展，使人类在海洋的活动范围逐渐扩大，活动时间日趋延长，活动内容日趋多样化。

1 锂离子电池在深潜器上的应用现状

锂离子电池自上世纪90年代商业化以来，在移动通信与便携式电子产品等领域得到了广泛的应用。随后，人们将其成功应用到航天和航空等领域[1]，显现出其宽广的应用潜能。2012年3月，在美国著名导演卡梅隆乘坐的“Deepsea Challenger”(深海挑战者)载人深潜器上又得到了充分展示，深潜器依靠搭载的锂离子电池提供动力，在太平洋马里亚纳海沟10 898 m海底深处，成功潜航了3 h。

由于深潜器使用环境的特殊性，电池成为其水下工作的唯一动力能源。在深潜器的发展历史中，电池一路伴随它成长，经历了从铅酸电池、锌银电池、燃料电池、镉镍电池、氢镍电池到锂离子电池的发展过程。正是由于电池技术的不断进步，才使深潜器具备了今日多功能的装备能力。

目前，深潜器主要分为载人深潜器 (human occupied vehicle，HOV)和无人深潜器(unmanned underwater vehicle，UUV)。迄今为止，已有成百上千的各类深潜器在广袤的海洋中执行科考、救援、海底光缆铺设和特种作战等任务。

1.1 国内外典型载人深潜器及其动力能源

载人深潜器较早出现在上世纪60年代，其中以美国“阿尔文”号载人深潜器为杰出代表，1966年，“阿尔文”号载人深潜器以铅酸电池为动力，在西班牙海域成功打捞出一颗失落的氢弹，极大地鼓舞了人们研究深潜器的热情，并由此掀起了研制高潮。此后，各类载人深潜器不断涌现(见表1)。

1.2 国内外典型无人深潜器及其动力能源

自上世纪90年代起，在海底矿藏资源调查、石油开采以及军事作战等多种需求的刺激下，无人深潜器得到了飞速发展。目前，世界上已有十几个国家从事无人深潜器的研制，尤以美国、挪威、英国、日本和法国等处于领先地位(见表2)。

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2 锂离子电池在深潜器上的应用方式

目前，锂离子电池在深潜器上常用的应用方式有常压型、油浸型、裸潜型及混合型等。

2.1 常压型

常压型应用方式是将电池组直接安装在耐压壳体内 (图1)。在潜水过程中，电池不受海水压力变化的影响，始终处于常压状态。在下潜深度不超过2 000 m的无人深潜器上常采用这种方式，其优点是结构相对简单，便于深潜器流线型设计；缺点是当电池组出现严重问题发生燃烧时，会导致密闭的压力容器内压骤增，引起壳体炸裂，发生伤人事故。此外，由于壳体需要承压，壁厚增加，导致质量增加，降低了深潜器的有效载荷能力。

图1 法国SAFT公司为轻型操雷(左)及重型概念鱼雷(右)研制的标准锂离子电池模块[5]

2.2 油浸型

油浸型应用方式是将电池固定在一个内腔充满绝缘油的电池箱中，利用压力补偿器对电池箱进行压力补偿。压力补偿器比较常用的结构方式有一体式和分体式。

图2 一体式压力补偿结构示意图[6]

(1)一体式：利用补偿皮囊直接作为电池箱体的上盖，电池则固定在金属箱体内，上盖与箱体通过螺栓紧固在一起后，内部为密闭空间(如图2所示)。我国某大深度载人深潜器电池组，即采用这种结构方式。其工作原理：当深潜器下潜时，柔性补偿皮囊受到外界海水压力后，率先于金属壳体向内凹陷，对绝缘油形成挤压，绝缘油体积被压缩，因而产生内压。由于绝缘油的压缩模量较大，较小的压缩量就能迅速使绝缘油产生与外界压力相等的内压，因而电池箱壁两侧压力就瞬时达到动态平衡，避免了电池箱形变和破坏；而处于电池箱体内的电池，根据流体力学帕斯卡原理，静止液体内任何一点压强的变化都将等值传到各点。因此，只要电池内部没有空隙存在，其表面任何一点所受合力均为零，因而不会被压坏。当深潜器继续往下潜时，补偿皮囊则继续向内凹陷，直至内外压力达到一个新的动态平衡为止。当深潜器上浮时，外压减小，内压逐步释放，使补偿皮囊向外复位。当深潜器上浮至水面后，补偿皮囊又恢复到常压状态。

图3 分体式压力补偿结构示意图

(2)分体式：外置压力补偿器与电池箱彼此分立，使用时通过输油软管连通(如图3)。压力补偿器内部结构较常用的方式有活塞式和皮囊式。其工作原理：下潜时，外界海水压力大于电池箱绝缘油的内压，活塞(或皮囊)向内运动。补偿器中的绝缘油被推入箱体，对箱体内的绝缘油形成挤压，进而产生内压，使电池箱壁两侧压力瞬时达到动态平衡。当深潜器上浮时，外压减小，内压逐步释放，活塞/皮囊向外归位运动，当深潜器上浮至水面后，补偿皮囊又恢复到常压状态。俄罗斯“和平1/2”号载人深潜器电池组，即采用此种结构方式。

油浸型结构方式的优点：

(1)有效载荷大：适用于任何下潜深度的深潜器，特别是在大深度深潜器上应用更有优势，箱体壁厚仅为常压结构壁厚的1/10左右，数倍提高了深潜器的有效载荷。

(2)可靠性好、安全性高：首先，使用前可预先进行电池耐压模拟测试，确认电池的耐压性能，提高了系统的可靠性；其次，一旦电池组在水下出现安全问题时，可通过深潜器上设置的抛载机构进行抛弃，电池组在自身重力的作用下沉入海底，以保障潜航员和深潜器的安全；此外，当电池组停留在甲板时，亦可避免类似电池组在压力容器内因极端情况下发生燃烧引起的爆炸伤人事故。

(3)散热效果好：热量可通过海水直接冷却降温。

2.3 裸潜型

裸潜型应用方式是将单体电池或单元电池与线路板整体灌封在树脂胶内，外部设置水密接头，用于电路输出。灌封后的电池可以直接使用，也可以通过水密电缆对电池再度进行串联或并联连接，组合成所需求电压和容量。灌封的作用在于：使电池正负极形成绝缘防护层，避免电池在下潜过程中与海水接触造成短路 (如图4)。这种结构方式的优点是结构简单，成本低；缺点是可靠性与循环寿命差，出现故障不能维修。

图4 裸潜式电池结构示意图

2.4 混合型

混合型应用方式是将单体电池或单元电池固定在一个充满硅胶油的带有补偿皮囊的薄形密闭壳体内。单体电池的正负极与电路控制板通过导线连接到设置在壳体上的水密接件上。使用时，通过水密电缆将电池进行串联或并联连接，组成所需要的电压和容量。美国Deepsea Challenger(深海挑战者)载人深潜器和Bluefin(蓝鳍金枪鱼系列)UUV所携带的锂离子电池组，即采用这种混合型方式(如图5、图6)。混合型方式的优点是电池组合灵活，适用于任何下潜深度的深潜器；缺点是由于连接点多，影响电池组的可靠性。

图5 美国Deepsea Challenger(深海挑战者)深潜器锂离子电池组

图6 Bluefin(蓝鳍金枪鱼系列)可快速更换的深海锂离子电池包与安装现场

需要指出的是：无论是油浸型、裸潜型，还是混合型，均要求单体电池本身能承压。由于液态圆柱形及方形钢铝壳锂离子电池，其内腔存在空气及液态电解液。在电池受压之后，空气与电解液被压缩，导致电池内压急骤升高，安全阀打开，引起电解液外泄与壳体破裂，致使电池失效。因此，上述三种应用方式仅适用于聚合物锂离子电池。

3 锂离子电池在深潜器上的性能优势与关键技术

目前，在深潜器上应用比较成熟的有铅酸电池、镉镍电池、锌银二次电池等传统电池。铅酸电池技术成熟、价格便宜，但能量密度不足，剩余电量不易估算，存在轻度记忆效应等。镉镍电池相对铅酸电池，比能量有所提高，但自放电大(＞20%/月)。银锌二次电池的能量密度较高，但充电时间长 (30 h左右)，使用寿命短(20～30次)，低温性能较差，且价格昂贵，跟铅酸电池一样，充电时有可燃爆炸气体产生。因此，银锌二次电池充电时，需要将电池箱体敞开，置于通风良好的环境下，充电完成后将密封盖再装回去。由于密封盖的反复拆装，会加剧密封性能的不稳定性，给下潜过程带来风险性。亚硫酰氯锂电池为一次锂电池，能量密度相当高，但不可大倍率放电，遇短路、大电流或高温时，容易引起热失控，进而发生爆炸[7]。早期，美国和法国在鱼雷的研制过程中，采用亚硫酰氯锂电池作动力，均发生过爆炸事故。2010年，我国某研究所也发生过类似的爆炸事故。显然，传统电池虽然应用时间较长，但问题依然突出。因此，锂离子电池凭借其优秀的电性能迅速成为水下能源技术的转折点，给深潜器动力系统注入了新的希望。

3.1 性能优势

(1)能量密度高

锂离子电池的能量密度是铅酸电池的2～4倍，锌银二次电池的1.5倍左右。某型号操雷，用锂离子电池替代原有的银锌二次电池后，在电池舱体积不变的情况下，航速与航程均提高了2倍，且无滞后时间。

(2)工作温度范围宽、环境适应性与倍率性能好

锂离子电池具有很好的高低温度特性，可以在－20～60℃范围内正常工作(如图7)，在工作过程中无气体产生。此外，聚合物锂离子电池还可以形状尺寸任意，安装方式不限，可在大倾角条件下工作，能适应深潜器水下各种运动姿态要求。锂离子电池还具有很好的倍率充放电特性，放电倍率高达27C(如图8)。

(3)循环寿命长

由于铅酸电池在使用过程中，极板容易硫化，严重影响循环寿命，因此，铅酸电池需要采取周期性的放电治疗进行修复。即便这样，其循环寿命与锂离子电池的循环寿命相比也相差较大。锌银电池的使用寿命仅为一年，循环寿命小于30次，而锂离子电池使用寿命长达八年。锂离子电池与其它电池的循环寿命比较见表3。

图7 锂离子电池温度特性曲线

图8 锂离子电池倍率放电特性

3.2 关键技术

由于目前锂离子电池大多使用极易燃烧的碳酸酯类有机电解液，抗滥用能力较差，设计不当或滥用情形下易引起电池过充电或过热等行为，使电池性能劣质化，影响电池的使用寿命。最严重时，易导致热失控发生，引起电池发生燃烧等安全问题。本文针对影响电池的安全性与可靠性的几个主要因素，提出以下解决方案。

3.2.1 电极体系材料

电极材料的选择是研制电池组的关键技术之一，需慎重选择。建议选用技术成熟、稳定性较好的电化学体系，以提高电池本身的安全性能。在现有锂离子电池正极材料中，Jiang和Chen等通过差示扫描量热法(DSC)研究发现，LiCoO2、LiMn2O4、LiNi1/xCo1/yMn1/zO2、LiFePO4的热稳定性依次增强，LiCoO2、LiNi1/xCo1/yMn1/zO2、LiMn2O4、LiFePO4的过充性能依次增强[8-14]。由于LiMn2O4在高温下Mn易溶解，使尖晶石结构遭受破坏，引起循环寿命和高温性能变差的问题，因此，三元材料(LiNi1/xCo1/yMn1/zO2)与磷酸铁锂应为水下深潜器电池的优选电极材料。三元正极材料为钴、镍、锰三种金属过度态化合物，融合了钴酸锂的循环稳定性、锰酸锂的安全性、镍酸锂的高容量的优点，适用于对能量密度要求高、安全性居次位的UUV应用。磷酸铁锂正极材料较适合在HOV上应用，以发挥其安全性高和循环寿命长的优势。其次，隔膜宜选用复合隔膜，以减少内部短路几率。此外，电解液选型也很重要，有机电解液除了易燃的问题外，在一些滥用情况下，高活性的有机溶剂在电极材料的作用下，易发生剧烈的氧化还原反应，产生大量的热量，加速热失控发生[15-17]。因此，电解液宜选用安全阻燃型电解液和高闪点溶剂组合，以提高电解液闪点和燃点温度。

3.2.2 耐压工艺

采用油浸型、裸潜型及混合型结构的锂离子电池组，需严格控制单体电池生产工艺过程中阴阳极膜片的粒径、粒度、金属异物颗粒，以及涂布极片膜厚的均匀性、冲裁过程中的毛刺、隔膜品质与叠放位置正确等，以防止电池在外界巨大压力的作用下，造成内部隔膜压破而形成短路，产生热失控的危险。此外，化成过程中的产气必须抽尽，务必使电池内部形成亚固体状态。

3.2.3 保护措施

挪威Kongsberg公司针对Hugin1000 UUV锂离子电池组提出了以下安全措施[18]：

(1)设置防火墙：防止单个电池或模块着火后，影响相邻的电池或模块；

(2)预防内部短路：每个单体电池输出端，均设聚合物保险丝PTC FUSE；

(3)预防外部短路：连接导线外加设玻纤导管，防止导线过热时发生熔化形成短路，及在总电路上设置断路器和限流装置等；

(4)采用加强壳体：即使电池着火后，电池箱体仍需坚固，可考虑用钛合金钢制造，防止再次发生灾害。

通过上述方式，实现电池组的多级保护措施，提高安全性。

3.2.4 热控制技术

在中小型深潜器上，电池散热问题比较好解决，一方面，深潜器所携带的能量有限，发热量也较少；另一方面，可由海水将热量快速带走。但在大型载人深潜器上则不同：其一，所携带的电池能量巨大，发热量剧烈；其二，密闭的电池舱又增加了散热的难度，仅靠热传导和热辐射方式，达不到散热效果。因此，需要采取热控制技术，防止热失控发生：(1)优化电极设计及合理选择电流密度，以控制单体电池的温升，减少发热量；(2)对导电部件、加工工艺、散热结构、连接方式等进行优化，达到增大接触面积，减少接触电阻之目的，使之不能形成新的热源和局部过热的条件；(3)在电池模块内部设置冷媒，控制各单体电池之间的温差；(4)可采用自然散热和强制冷却相结合措施，当温度高时，可开启强制冷风对电池组进行快速降温。

3.2.5 管理策略

通常，深潜器上的电池组需由一定数量的单体电池经多次串联和并联后组成。由于各单体电池间的初始性能存在差异性，在电池模组的运行过程中，因环境因素的影响，还会加剧各单体电池间的差异性，造成恶性循环，引起循环与使用寿命的提早终结，严重时引起潜在的安全性问题。针对上述问题，可采取先进的电池管理系统技术和策略予以解决，主要采取的技术和策略有：

(1)在每只单体电池的表面设置温度传感器，在其输出端设置电压采集点和保险丝。

(2)在电池模块内设置电池监控板(battery monitor board，BMB)，用以监控电池模块的电压，电流以及各个单体电池电压、温度等。

(3)在电池组内设置电池管理系统(battery management system，BMS)，在充放电过程中，实时监控电池组的总电流、总电压、荷电状态、绝缘电阻、各单体电池及电池模块的电压和温度等参数。对电池模组实行动态管理，实现电池模组的早期预警及过充、过放、过流、短路与过温的保护功能，以保障电池组在最佳状态下工作。

4 展望

在近期服役的典型无人深潜器中，大部分采用锂离子电池作为动力能源(见表2)。显然，锂离子电池已显现出向水下无人深潜器应用的发展趋势。

锂离子电池作为水下动力能源，其高能量密度减轻了电池组的质量，提高了深潜器的有效载荷能力；尺寸形状任意与充放电过程中无气体产生的属性，可为深潜器设计带来更多的方便；长寿命和免维护，可降低运行成本[19]。

随着制造设备、生产工艺以及材料科学的发展，锂离子电池的能量密度和安全性能还将得到大幅提升。正在研发的正极富锂锰(LiNi0.5Mn1.5O4)和负极碳硅材料、石墨烯复合材料、新型阻燃电解液和离子液体、氟代碳酸酯等功能添加剂，以及陶瓷隔膜和无机隔膜等新型材料的出现，有望使困扰锂离子电池应用到大型载人深潜器上的安全性问题得到解决。

持续提升的新能源技术吸引了设计工程师们的眼光，在最近研制的中小型载人深潜器动力能源的选择方向上，锂离子电池脱颖而出。2008年伍兹-霍尔海洋研究所公布了新“阿尔文”号载人深潜器的改造计划，改造的四个关键技术之一是用锂离子电池替代原有的铅酸电池作动力。2012年，中船重工集团702所也公布了2018年开建的“作业型”4 500 m载人深潜器，计划采用聚合物锂离子电池作动力。据防务新闻网2014年10月11日报道，日本海上自卫队计划采购的10艘“苍龙”级常规动力潜艇的后四艘，动力系统将用锂离子电池取代目前使用的AIP技术。

随着应用技术的不断提升，将会有越来越多的锂离子电池应用到水下深潜器上，发挥其独特的优势和作用。

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Current status and development trend of lithium-ion battery in underwater vehicle

DAI Guo-qun1,CHEN Xing-bao2,HU Chen3
(1.Beijing Shenzhou Yuanwang Co.,Ltd.,Beijing 100029,China;2.Zhuhai Smoothway Electronic Materials Co.,Ltd.,Zhuhai Guangdong 519000,China;3.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China)

The underwater vehicle is an important platform for underwater survey.Advanced energy technology is a key factor influencing the cruising range and speed of underwater vehicle,and is an important index to measure the performance of underwater vehicle. The domestic and foreign power energy types of underwater vehicles were introduced.The application of lithium-ion battery in underwater vehicle was analyzed.Due to the advantages of high energy density,long life,high safety,low cost and free-maintenance,lithium-ion batteries will be one of the most promising energy technologies for the new generation of underwater vehicle(HOV,UUV).

lithium-ion battery;underwater vehicle;pressure-compensation;pressure-tolerant battery;oil-filling; naked diving

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1768-05

2015-01-15

戴国群(1966—)，男，湖南省人，高级工程师，主要研究方向为潜航器动力电池应用技术。