作為柴電潛艇水下航行動(dòng)力的來(lái)源，電池性能對(duì)柴電潛艇的航速、續(xù)航力、水下航行時(shí)間等多方面產(chǎn)生影響，直接制約著柴電潛艇的實(shí)際作戰(zhàn)能力。目前，鉛酸蓄電池作為柴電潛艇的傳統(tǒng)電池能源，構(gòu)型笨重，容易釋放有毒易爆氣體，越來(lái)越不能適應(yīng)現(xiàn)代海戰(zhàn)的需求。現(xiàn)代柴電潛艇迫切需要進(jìn)行一次“能源革命”，而鋰離子電池將成為這場(chǎng)革命的引領(lǐng)者。

鋰離子電池的構(gòu)造和優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，鋰離子電池具有更好的性能：比容量高，這是鋰離子電池最大的優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是單位質(zhì)量的能量，還是單位體積的能量，均比鉛酸蓄電池高出至少2倍；單電池輸出電壓高，平均輸出電壓值是鉛酸蓄電池的3倍；自放電率低，自放電率是電池內(nèi)自發(fā)反應(yīng)引起的化學(xué)能損失，其自放電率小于每月2%；使用壽命長(zhǎng)，鋰離子電池的循環(huán)次數(shù)高達(dá)1000次，是鉛酸蓄電池的4倍；安全性好，鋰離子電池在充、放電過(guò)程中，只需鋰離子的嵌入和脫出，將電池過(guò)熱和內(nèi)部短路的概率降到最低。

鋰離子電池原理圖

一般來(lái)說(shuō)，鋰離子電池主要由正極板、負(fù)極板、電解質(zhì)、隔膜紙、鋼殼及蓋板等組件構(gòu)成。正極板由氧化鈷鋰、氧化鎳鋰、氧化錳鋰等材料組成；負(fù)極板由碳材料（包括石墨、軟碳和硬碳）制成。電解質(zhì)是電池內(nèi)化學(xué)反應(yīng)工程中鋰離子來(lái)回移動(dòng)的載體，其主要材料是碳酸酯類有機(jī)溶劑。處于正、負(fù)極之間的分離隔膜紙通常采用聚丙烯和聚乙烯制成，防止兩極直接接觸而導(dǎo)致的電池內(nèi)部短路。鋼殼是鋰離子電池化學(xué)反應(yīng)的容器，蓋板在整個(gè)電池系統(tǒng)中起到密封和輸出電源的作用，它們均由不銹鋼或者高級(jí)鋁材采用激光焊接成形。

工作原理

鋰離子電池的工作原理是建立在“搖椅理論”上的，充電時(shí)鋰離子從正極脫出，通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)負(fù)極，得到電子后與碳材料結(jié)合變?yōu)殁捤徜?。放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極析出，通過(guò)電解質(zhì)到達(dá)正極，重新回到層狀鈷酸鋰骨架中，恢復(fù)到充電前的狀態(tài)。由于鋰離子電池在充、放電過(guò)程中，鋰離子在正負(fù)極之間往返嵌入和脫出，就像搖椅一樣搖來(lái)?yè)u去，所以又被稱為“搖椅電池”。

日本未來(lái)鋰離子電池同現(xiàn)有蓄電池的對(duì)比

得益于鋰離子電池的體積小、質(zhì)量輕、能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)毒無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被各海軍強(qiáng)國(guó)所重視。各國(guó)海軍都希望能夠?qū)囯x子電池應(yīng)用于新一代的柴電潛艇。據(jù)估算，如果柴電潛艇應(yīng)用了鋰離子電池之后，全速航行和經(jīng)濟(jì)航速航行下的水下續(xù)航力將分別提高3倍和5倍；如果非核AIP潛艇應(yīng)用了鋰離子電池，將使非核AIP潛艇在上述兩種工況下的續(xù)航力提高3倍和7倍。這將極大的提高常規(guī)動(dòng)力潛艇在現(xiàn)代海戰(zhàn)條件下的作戰(zhàn)效能、隱蔽性和生存能力。

發(fā)展現(xiàn)狀和前景

目前，德國(guó)、法國(guó)在常規(guī)動(dòng)力潛艇應(yīng)用鋰離子電池技術(shù)上處于世界領(lǐng)先地位。德國(guó)在20世紀(jì)90年代初開(kāi)始探索潛艇用鋰離子電池技術(shù)，霍瓦茲德意志造船公司和蒂森克虜伯海事系統(tǒng)公司以及GAIA公司密切合作，研發(fā)出潛艇用鋰離子電池模塊，總?cè)萘窟_(dá)到485安-小時(shí)。而且，該電池已經(jīng)通過(guò)了關(guān)鍵技術(shù)評(píng)審，并且按照常規(guī)潛艇抗沖擊、磁特征信號(hào)以及操作使用安全性進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。

與同樣容積的鉛酸蓄電池相比，在水下全速航行工況下，鋰離子電池放電量高出約4倍；在經(jīng)濟(jì)航速航行工況下，鋰離子電池放電量高出約2.5倍。德國(guó)海軍已經(jīng)決定將該鋰離子電池模塊集成到新建的216型AIP潛艇。此外，法國(guó)艦船建造局DCNS與薩福特蓄電池公司從2000年開(kāi)始研究用于常規(guī)潛艇的鋰離子電池，目前已經(jīng)完成鋰離子電池陸基技術(shù)測(cè)試、鋰離子電池的安全性測(cè)試、鋰離子電池與柴油機(jī)的耦合試驗(yàn)、鋰離子電池與AIP系統(tǒng)的耦合試驗(yàn)等。

在不久的將來(lái)，隨著潛艇用鋰離子電池技術(shù)的日臻成熟，很可能將徹底取代鉛酸蓄電池，成為未來(lái)常規(guī)動(dòng)力潛艇的主動(dòng)力源。