艦船蓄電池，是供艦船動力、照明、通信、信號和應(yīng)急電源的化學(xué)電源裝備。目前，鉛酸蓄電池以安全可靠、價(jià)格低廉成為特種、航母、水面艦等艦船領(lǐng)域應(yīng)用的重要蓄電池。

例如，國外特種用鉛酸蓄電池生產(chǎn)國家重要有德、英、法、俄、希臘等國，最先進(jìn)的特種動力蓄電池有德國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(dá)5年以上），而且在析氫量方面也大幅降低。

鋰離子動力鋰離子電池具有比能量高、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(hù)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(shí)現(xiàn)艦船應(yīng)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(lǐng)域應(yīng)用相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

本文重點(diǎn)介紹鋰離子電池技術(shù)及其在艦船行業(yè)的應(yīng)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(diǎn)（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(hù)，是較為理想的特種動力鋰離子電池之一，作為艦船備用電池可滿足減重、免維護(hù)等需求。同時，隨著艦船向全電推進(jìn)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(yīng)用前景。

2、鋰離子電池在艦船領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1、國外應(yīng)用現(xiàn)狀

國外鋰離子電池在民用電動船舶以及特種特種等領(lǐng)域已得到較為實(shí)際應(yīng)用。

鋰離子電池在民用電動船舶領(lǐng)域（如表2所示）重要用于混合動力和純電動力電動船舶，鋰離子動力鋰離子電池系統(tǒng)總能量可達(dá)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離子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，要大規(guī)模陣列設(shè)計(jì)，以貨架或電池柜形式布置。船用推進(jìn)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)在特種艦船領(lǐng)域上的應(yīng)用得到了飛快的發(fā)展，2005年，特種單艇采用了1.5kWh的鋰離子電池系統(tǒng)，到2006年，已經(jīng)擴(kuò)展到15kWh，至2011年，鋰離子電池系統(tǒng)在特種和水面艦艇上的應(yīng)用已超過1000kWh（圖2）。

同時，國外重要特種強(qiáng)國在特種用鋰離子動力鋰離子電池領(lǐng)域已經(jīng)取得突破性進(jìn)展。日本已成功實(shí)現(xiàn)2艘特種換裝鋰離子電池。日本蒼龍級“凰龍”號是首艘配備鋰離子電池的特種（圖3a）于2018年十月下水，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特種，可實(shí)現(xiàn)蓄電容量將增至2倍左右，續(xù)航力翻倍。2019年十一月六日，“蒼龍”級特種的12號艦“登龍”（圖3b）的特種下水，同樣采用鋰離子電池作為動力。日本接下來的新一代特種，將搭載與“凰龍”號和“登龍”號同樣的鋰離子電池。其他發(fā)達(dá)國家也開始在特種設(shè)計(jì)方法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年九月明確提出，在216型特種（圖3c）推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中，采用鋰離子電池取代鉛酸電池。2008年，法國海軍集團(tuán)公司與SAFT公司簽署協(xié)議，正式開展特種鋰離子動力系統(tǒng)研制工作。2014年，法國海軍首度公開了“短鰭梭魚”級常規(guī)特種，該特種將采用鋰離子電池動力系統(tǒng)。2017年七月，俄羅斯完成第五代常規(guī)特種“卡琳娜”級初步設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的KSS-3型特種（圖3d）研制工作并開工建造，計(jì)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(tuán)負(fù)責(zé)。

2.2、國內(nèi)應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)鋰離子電池在電池車、儲能領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)上，近幾年在電動船舶領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，相關(guān)規(guī)范逐步建立。其中，我國船級社《純電池電動船舶檢驗(yàn)指南》（2019）已經(jīng)公布。出于安全性考慮，國內(nèi)電動船舶領(lǐng)域應(yīng)用的鋰離子電池重要以磷酸鐵鋰離子電池為主。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(dá)到300，電池系統(tǒng)總能量達(dá)到2.2MWh，單次充滿電可航行8h，由特種第712研究所供應(yīng)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(lǐng)域迎來了爆發(fā)式上升。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(dá)26噸的超級電容和超大功率鋰離子電池，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(tuán)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(jī)為動力推進(jìn)系統(tǒng)，配備了9組磷酸鐵鋰動力鋰離子電池組和超級電容為儲能及標(biāo)準(zhǔn)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(dá)500公里。

鋰離子電池在特種領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了良好的應(yīng)用基礎(chǔ)。其中，鋰離子電池安全問題是要解決的關(guān)鍵技術(shù)難題。特種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(yù)防為主，滅火為輔，需在電芯熱失控階段執(zhí)行阻斷電芯間換熱、疏導(dǎo)失控電芯熱量至外界、滅明火、隔離空氣、隔離電池?zé)崾Э貒姵鑫锏雀深A(yù)措施[9]。后續(xù)在系統(tǒng)級防護(hù)中，輔以有效的滅火劑噴淋，在電池管理系統(tǒng)及人為干預(yù)控制下的合理噴射時間與劑量。

其中，熱量的阻斷和疏導(dǎo)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(dǎo)。疏導(dǎo)熱失控電池出現(xiàn)的熱量可通過填充導(dǎo)熱材料，新增導(dǎo)熱途徑如風(fēng)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(hù)措施，提高鋰離子電池系統(tǒng)的安全性，實(shí)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(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)層級安全，滿足鋰離子電池在艦船特種領(lǐng)域上應(yīng)用的要求。

3、鋰離子電池艦船應(yīng)用前景

鉛酸蓄電池經(jīng)過多年的研發(fā)、改進(jìn)，已基本達(dá)到其綜合電化學(xué)性能的極限，未來改進(jìn)空間較小，已無法滿足現(xiàn)有艦船對動力電源的要。鋰離子電池在民用電動船舶已得到了規(guī)?；瘧?yīng)用，在國外特種等艦船領(lǐng)域得到了裝備應(yīng)用，是艦船電池技術(shù)的重要發(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，鋰離子電池在特種、航母以及水面艦等領(lǐng)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(jìn)方向發(fā)展以及綜合電力系統(tǒng)的應(yīng)用，電磁彈射、電磁炮、電磁特種發(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(lǐng)域發(fā)揮巨大優(yōu)勢和重要用途。