走進鋰電潛艇的前世今生

世界第一艘以鋰離子電池作為動力的潛艇“凰龍”號

連日來，很多人的朋友圈都被日本最新的鋰離子聚合物電池潛艇刷屏。近日，日本第11艘蒼龍級“凰龍”號常規(guī)動力潛艇下水，這也是世界上第一艘使用鋰離子電池作為動力的潛艇。

早在2014年日本海上自衛(wèi)隊就宣布，2015年開工的蒼龍級潛艇將革命性地采用鋰離子電池。當(dāng)時有國外媒體報道，日本蒼龍級潛艇在換裝鋰離子電池的同時還將取消原有的AIP系統(tǒng)，即只保留鋰電池組+柴油機的動力組合。對于這種革命性的設(shè)想，當(dāng)時的觀點卻不甚統(tǒng)一，很多人對這種頗為激進的設(shè)計心存疑慮。“凰龍”號的下水使這種激進的設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實。

瞭望智庫特約研究員易芳指出：“鋰電潛艇是鋰離子聚合物電池成熟情況下，作為改進AIP潛艇電力推進分系統(tǒng)的一種方式，但絕不是唯一先進的方式。”

蓄電池性能制約催生了AIP潛艇

潛艇自問世以來就以其神鬼莫測的隱蔽性、較強的突擊性，成為各個國家積極發(fā)展的海戰(zhàn)利器。然而早期的潛艇卻和人們的設(shè)想相去甚遠(yuǎn)。在人們的設(shè)想里，潛艇應(yīng)該和科幻小說《海底兩萬里》中的“鸚鵡螺”號那般，能長時間航行于大洋深處。但技術(shù)卻限制了人們的想象力，一直到二戰(zhàn)期間，各國軍隊使用的還是19世紀(jì)末期科學(xué)家們發(fā)明的柴電動力潛艇，即水面航行時使用內(nèi)燃機，在水下航行時則使用蓄電池和電動機。而這種設(shè)計一直到今天仍然有廣泛的市場。

由于電池技術(shù)的限制，柴電潛艇只能在水下航行10—100個小時，就必須充電。柴油機的運行離不開氧氣，因此必須浮上水面，或者采用通氣管。這樣一來，其隱蔽性就大大降低。為此，人們也一直在尋找各種方式，來突破這一制約，以核能作為動力就是選擇之一。美國人所設(shè)計的世界上第一艘核潛艇就使用了“鸚鵡螺”號的名字。但是限于各種制約，核潛艇始終是少數(shù)國家的專利。

對于適用范圍更廣的常規(guī)動力潛艇來說，究竟有沒有更好的解決辦法呢?

上百年來，由于電池技術(shù)進步緩慢，常規(guī)動力潛艇一直主要使用著鉛酸電池。鉛酸電池性能穩(wěn)定可靠，使用的原材料易于獲得且廉價，本身結(jié)構(gòu)簡單易于維護。但隨著電池技術(shù)的進步，鉛酸電池的缺點也開始被放大——其體積和重量太大，而儲電比能卻又很低，而且充滿電很費時間，也就是說比起鋰電池等后來者其能量密度比較低。

因此，要增加柴電潛艇水下航行的持續(xù)性和隱蔽性，提高電池的儲電能力和效率就變得非常重要。但電池技術(shù)的進步顯然不能滿足軍事需求，由此人們研發(fā)了不依賴空氣的動力推進系統(tǒng)——AIP系統(tǒng)。

易芳介紹：“早期的AIP潛艇，如‘斯特林’發(fā)動機AIP動力核潛艇，主要采用熱力發(fā)動機+鉛酸蓄電池組的方式作為電力推進分系統(tǒng)，雖然提高了水下安全性能，但降低了水下航速，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性。因此，后來又有了閉式循環(huán)柴油機動力系統(tǒng)、閉式循環(huán)蒸汽輪機動力系統(tǒng)和燃料電池動力系統(tǒng)等方式出現(xiàn)。”

鉛酸電池必將被新式電池取代

AIP潛艇從一定程度上降低了潛艇對蓄電池的要求，但這不意味著潛艇就不需要更好的電池。畢竟，相較柴電潛艇，AIP潛艇的系統(tǒng)更為復(fù)雜。

“凰龍”號在維持規(guī)格和航速不變的情況下，使用鋰離子電池替換掉整個“斯特林”發(fā)動機的AIP動力系統(tǒng)和鉛酸蓄電池。

“凰龍”號所采用的這種設(shè)計使得當(dāng)前最熱門的AIP潛艇有了新的替代方式，從技術(shù)原理上看，又變回了柴電潛艇。

“鉛酸電池存在一系列問題，而且根據(jù)其工作原理改進的空間十分有限，而且還需要額外的發(fā)動機供電，占用了潛艇過多的空間，因此一旦出現(xiàn)更成熟電池技術(shù)，例如鋰離子聚合物電池，就必然會被取代。”易芳說。

鋰電池其實早已在其中武器系統(tǒng)中應(yīng)用，涵蓋了陸?？仗斓戎T多兵種，比如軍用通信設(shè)備、水下機器人、無人偵察機等。軍用設(shè)備電源的能量密度、續(xù)航時間、體積重量等是影響作戰(zhàn)能力的重要因素，而鋰電池具有的能量密度高、體積小、重量輕、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，成為軍用設(shè)備電源的首選。

易芳指出，“由于潛艇潛航時對電力系統(tǒng)的要求很高，一種電池技術(shù)如果沒有成熟是不敢貿(mào)然使用的，因為一旦供電中斷必然導(dǎo)致潛艇安全事故。因此之前的常規(guī)潛艇主要使用成熟的鉛酸蓄電池，直到鋰離子聚合物電池等電池技術(shù)逐漸成熟之后，才開始采用新的替代方案。”

鋰電潛艇出現(xiàn)屬于水到渠成

因常規(guī)動力潛艇具備獨特優(yōu)勢，各國技術(shù)人員一直在進行不斷地設(shè)計改進，包括不斷嘗試各種新式的電池技術(shù)。

除了鋰電池之外，技術(shù)人員還使用過銀鋅電池。上世紀(jì)50年代，美國用“大青花魚”號常規(guī)動力高速試驗潛艇試驗過銀鋅電池。有文章指出，1500噸排水量的潛艇使用了220噸電池，可以讓1500噸的潛艇以33節(jié)的速度活動1.5小時，這是首次常規(guī)潛艇達(dá)到核潛艇的運動能力。不過銀鋅電池價格過于昂貴，制造這些電池的銀錠還是從美國國庫中借出來的。

當(dāng)前，AIP潛艇家族中還有一種燃料電池AIP潛艇，然而燃料電池潛艇和日本的鋰電潛艇有著本質(zhì)區(qū)別。燃料電池屬于一次電池，它可以把燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，也叫電化學(xué)發(fā)電器。而蓄電池屬于二次電池，需要進行充放電循環(huán)，把電能儲存起來進行放電。

“燃料電池是一種自供能的電池技術(shù)。這種潛艇只要燃料足夠、廢棄物排放科學(xué)，是可以在水下長期工作，可以認(rèn)為是一種‘亞核潛艇’。”易芳說，“而鋰離子電池是一種蓄電池，需要進行充電。也就是說，鋰電潛艇在潛航一段時間以后，也需要上浮至水面，由柴油發(fā)電機組系統(tǒng)進行充電，待充電完成后才能繼續(xù)下潛作業(yè)。”

很多人關(guān)心，鋰電池已在潛艇及眾多武器上得到了應(yīng)用，那么它未來是否會在戰(zhàn)場上廣泛應(yīng)用，或者只是過渡階段的替代品?未來鋰電潛艇會像現(xiàn)在電動汽車取代燃油汽車那樣，成為未來常規(guī)動力潛艇的首選配置嗎?

對此，易芳認(rèn)為，“鋰電池在常規(guī)潛艇上運用只是其中一種成熟方案，是隨著相關(guān)國家技術(shù)成熟的出現(xiàn)而出現(xiàn)，主要由于其具有比容量高、單電池輸出電壓高、自放電率低、使用壽命長、安全性能好等優(yōu)點，成為電力推進分系統(tǒng)的一種選擇而已，也并非過渡階段的替代品，是水到渠成的一種必然選擇。事實上，鈉—氯化鎳等新型高能熱電池也是可供選擇的一種方案。當(dāng)前，燃料電池AIP潛艇的前景比較好，是未來研究的主要方向，將燃料電池技術(shù)與蓄電池技術(shù)結(jié)合，可以確保常規(guī)AIP潛艇更好的安全性。”