艦船蓄電池，是供艦船動力、照明、通信、信號和應急電源的化學電源裝備。目前，鉛酸蓄電池以安全可靠、價格低廉成為潛艇、航母、水面艦等艦船領域應用的主要蓄電池。
例如，國外潛艇用鉛酸蓄電池生產(chǎn)國家主要有德、英、法、俄、希臘等國，最先進的潛艇動力蓄電池有德國85型蓄電池和俄羅斯476型蓄電池，這兩型蓄電池不僅比能高，壽命長（達5年以上），而且在析氫量方面也大幅降低。
鋰離子動力電池具有比能量高、充放電特性好、正常使用無析氫析酸、循環(huán)壽命長、使用維護簡便等優(yōu)勢，能較好的克服鉛酸蓄電池存在的不足，國外已實現(xiàn)艦船應用，國內(nèi)已經(jīng)積累了電動汽車、電網(wǎng)儲能、無人系統(tǒng)移動平臺等領域應用經(jīng)驗。
本文重點介紹鋰離子電池技術(shù)及其在艦船行業(yè)的應用現(xiàn)狀和前景。
1、鋰離子電池工作原理及優(yōu)勢
與鉛酸電池相比，鋰離子電池有如下特點（見表1）：
鋰離子電池能量密度高、倍率性能好、循環(huán)壽命長、免維護，是較為理想的潛艇動力電池之一，作為艦船備用電池可滿足減重、免維護等需求。同時，隨著艦船向全電推進方向發(fā)展，高能電磁武器對高功率電源技術(shù)需求迫切，鋰離子電池的高功率特性可滿足高能電磁武器發(fā)展需求，具有巨大的應用前景。
2、鋰離子電池在艦船領域應用現(xiàn)狀
2.1、國外應用現(xiàn)狀
國外鋰離子電池在民用電動船舶以及軍用潛艇等領域已得到較為實際應用。
鋰離子電池在民用電動船舶領域（如表2所示）主要用于混合動力和純電動力電動船舶，鋰離子動力電池系統(tǒng)總能量可達到幾百千瓦時至兆瓦時，采用的鋰離子電池體系包括磷酸鐵鋰電池和三元鋰離子電池。船用模塊為了滿足系統(tǒng)大能量需求，需要大規(guī)模陣列設計，以貨架或電池柜形式布置。船用推進系統(tǒng)電壓一般在600-1000V左右，一般將電池分簇管理，每個電池簇之間并聯(lián)，通過能源管理系統(tǒng)控制充放電。
鋰離子電池系統(tǒng)在軍用艦船領域上的應用得到了飛快的發(fā)展，2005年，軍用單艇采用了1.5kWh的鋰離子電池系統(tǒng)，到2006年，已經(jīng)擴展到15kWh，至2011年，鋰離子電池系統(tǒng)在潛艇和水面艦艇上的應用已超過1000kWh（圖2）。
同時，國外主要軍事強國在潛艇用鋰離子動力電池領域已經(jīng)取得突破性進展。日本已成功實現(xiàn)2艘潛艇換裝鋰電池。日本蒼龍級“凰龍”號是首艘配備鋰離子電池的潛艇（圖3a）于2018年10月下水，采用日本湯淺公司的鋰離子電池取代了傳統(tǒng)的鉛酸以及AIP系統(tǒng)，成為日本首艘，同時也是世界首艘采用鋰離子電池作為主動力的潛艇，可實現(xiàn)蓄電容量將增至2倍左右，續(xù)航力翻倍。2019年11月6日，“蒼龍”級潛艇的12號艦“登龍”（圖3b）的潛艇下水，同樣采用鋰離子電池作為動力。日本接下來的新一代潛艇，將搭載與“凰龍”號和“登龍”號同樣的鋰電池。其他發(fā)達國家也開始在潛艇設計方案中采用鋰離子電池作為動力系統(tǒng)，德國德森克虜伯公司與德國GAIA鋰離子電池技術(shù)公司簽訂了研發(fā)用于有人駕駛船舶的大型鋰離子電池技術(shù)合同，并于2011年9月明確提出，在216型潛艇（圖3c）推進系統(tǒng)設計方案中，采用鋰離子電池取代鉛酸電池。2008年，法國海軍集團公司與SAFT公司簽署協(xié)議，正式開展?jié)撏т囯x子動力系統(tǒng)研制工作。2014年，法國海軍首度公開了“短鰭梭魚”級常規(guī)潛艇，該潛艇將采用鋰離子電池動力系統(tǒng)。2017年7月，俄羅斯完成第五代常規(guī)潛艇“卡琳娜”級初步設計工作，該艇動力系統(tǒng)也將采用鋰離子電池和俄羅斯新研發(fā)的制氫AIP系統(tǒng)。2016年，韓國正式開展本國自主設計的KSS-3型潛艇（圖3d）研制工作并開工建造，計劃從4號艇開始采用鋰離子電池動力系統(tǒng)，該系統(tǒng)由韓國三星集團負責。
2.2、國內(nèi)應用現(xiàn)狀
國內(nèi)鋰離子電池在電池車、儲能領域大規(guī)模應用的基礎上，近幾年在電動船舶領域的應用發(fā)展迅速，相關(guān)規(guī)范逐步建立。其中，中國船級社《純電池電動船舶檢驗指南》（2019）已經(jīng)發(fā)布。出于安全性考慮，國內(nèi)電動船舶領域應用的鋰離子電池主要以磷酸鐵鋰電池為主。長江“君旅號”電動船（如圖4a所示）是目前長江上首艘載人游輪，載客量達到300，電池系統(tǒng)總能量達到2.2MWh，單次充滿電可航行8h，由中船重工第712研究所提供包括鋰離子電池系統(tǒng)在內(nèi)的整套動力系統(tǒng)（如圖4b所示）。同時，鋰離子電池在電動自卸船、貨船以及東湖游船等景區(qū)游覽船領域迎來了爆發(fā)式增長。廣船國際有限公司建造的2000噸級電動自卸船（如圖4c所示），船上安裝有重達26噸的超級電容和超大功率鋰電池，整船電池容量約為2400千瓦時，約2小時即可完成充電，滿載情況下可續(xù)航80公里；上海瑞華集團改造的500噸級純電動貨船（如圖4d所示），該船以160千瓦變頻電機為動力推進系統(tǒng)，配備了9組磷酸鐵鋰動力電池組和超級電容為儲能及標準岸電充電系統(tǒng)，9組儲能電池若同時充電，2到3小時即可充滿，充滿1次可航行50個小時，航程可達500公里。
鋰離子電池在軍用領域的應用奠定了良好的應用基礎。其中，鋰離子電池安全問題是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。軍用艦船對鋰離子電池的安全性要求高，解決鋰離子電池安全性問題是一個系統(tǒng)工程。
鋰離子電池安全性以預防為主，滅火為輔，需在電芯熱失控階段實施阻斷電芯間換熱、疏導失控電芯熱量至外界、滅明火、隔離空氣、隔離電池熱失控噴出物等干預措施[9]。后續(xù)在系統(tǒng)級防護中，輔以有效的滅火劑噴淋，在電池管理系統(tǒng)及人為干預控制下的合理噴射時間與劑量。
其中，熱量的阻斷和疏導是控制熱失控、解決電池模塊或電池組安全問題的關(guān)鍵步驟。通過增大電池之間的熱阻可以有效削弱電池之間的熱傳導。疏導熱失控電池產(chǎn)生的熱量可通過填充導熱材料，增加導熱途徑如風冷、液冷等。緊急情況下直接對熱失控單體噴淋液氮、純水等介質(zhì)。
經(jīng)過多層安全防護措施，提高鋰離子電池系統(tǒng)的安全性，實現(xiàn)即使鋰離子電池單體發(fā)生熱失控，但熱失控范圍可控制在模塊內(nèi)部，不會出現(xiàn)模塊之間的熱失控傳播，實現(xiàn)電池系統(tǒng)層級安全，滿足鋰離子電池在艦船軍事領域上應用的要求。
3、鋰離子電池艦船應用前景
鉛酸蓄電池經(jīng)過多年的研發(fā)、改進，已基本達到其綜合電化學性能的極限，未來改進空間較小，已無法滿足現(xiàn)有艦船對動力電源的需要。鋰離子電池在民用電動船舶已得到了規(guī)模化應用，在國外潛艇等艦船領域得到了裝備應用，是艦船電池技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。
因而，隨著鋰離子電池安全性關(guān)鍵技術(shù)問題的攻克，鋰離子電池在潛艇、航母以及水面艦等領域?qū)⒂瓉硌杆侔l(fā)展，大幅提升裝備性能。同時，隨著艦船向全電推進方向發(fā)展以及綜合電力系統(tǒng)的應用，電磁彈射、電磁炮、電磁魚雷發(fā)射等對高功率電池技術(shù)需求迫切，鋰離子電池的高功率特性將在該領域發(fā)揮巨大優(yōu)勢和重要作用。
