走進(jìn)鋰電動(dòng)力潛艇的前世今生

世界第一艘以鋰離子電池作為動(dòng)力的潛艇“凰龍”號(hào)

　　連日來(lái)，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(jí)“凰龍”號(hào)常規(guī)動(dòng)力潛艇下水，這也是世界上第一艘使用鋰離子電池作為動(dòng)力的潛艇。

　　早在2014年日本海上自衛(wèi)隊(duì)就宣布，2015年開(kāi)工的蒼龍級(jí)潛艇將革命性地采用鋰離子電池。當(dāng)時(shí)有國(guó)外媒體報(bào)道，日本蒼龍級(jí)潛艇在換裝鋰離子電池的同時(shí)還將取消原有的AIP系統(tǒng)，即只保留鋰電池組+柴油機(jī)的動(dòng)力組合。對(duì)于這種革命性的設(shè)想，當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)卻不甚統(tǒng)一，很多人對(duì)這種頗為激進(jìn)的設(shè)計(jì)心存疑慮。“凰龍”號(hào)的下水使這種激進(jìn)的設(shè)計(jì)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

　　瞭望智庫(kù)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(jìn)AIP潛艇電力推進(jìn)分系統(tǒng)的一種方式，但絕不是唯一先進(jìn)的方式。”

　　蓄電池性能制約催生了AIP潛艇

　　潛艇自問(wèn)世以來(lái)就以其神鬼莫測(cè)的隱蔽性、較強(qiáng)的突擊性，成為各個(gè)國(guó)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(shuō)《海底兩萬(wàn)里》中的“鸚鵡螺”號(hào)那般，能長(zhǎng)時(shí)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(guó)軍隊(duì)使用的還是19世紀(jì)末期科學(xué)家們發(fā)明的柴電動(dòng)力潛艇，即水面航行時(shí)使用內(nèi)燃機(jī)，在水下航行時(shí)則使用蓄電池和電動(dòng)機(jī)。而這種設(shè)計(jì)一直到今天仍然有廣泛的市場(chǎng)。

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

　　對(duì)于適用范圍更廣的常規(guī)動(dòng)力潛艇來(lái)說(shuō)，究竟有沒(méi)有更好的解決辦法呢？

　　上百年來(lái)，由于電池技術(shù)進(jìn)步緩慢，常規(guī)動(dòng)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(jià)，本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于維護(hù)。但隨著電池技術(shù)的進(jìn)步，鉛酸電池的缺點(diǎn)也開(kāi)始被放大——其體積和重量太大，而儲(chǔ)電比能卻又很低，而且充滿電很費(fèi)時(shí)間，也就是說(shuō)比起鋰電池等后來(lái)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(chǔ)電能力和效率就變得非常重要。但電池技術(shù)的進(jìn)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(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)——AIP系統(tǒng)。

　　易芳介紹：“早期的AIP潛艇，如‘斯特林’發(fā)動(dòng)機(jī)AIP動(dòng)力核潛艇，主要采用熱力發(fā)動(dòng)機(jī)+鉛酸蓄電池組的方式作為電力推進(jìn)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(lái)又有了閉式循環(huán)柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、閉式循環(huán)蒸汽輪機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)和燃料電池動(dòng)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(duì)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(hào)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(gè)“斯特林”發(fā)動(dòng)機(jī)的AIP動(dòng)力系統(tǒng)和鉛酸蓄電池。

　　“凰龍”號(hào)所采用的這種設(shè)計(jì)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(wèn)題，而且根據(jù)其工作原理改進(jìn)的空間十分有限，而且還需要額外的發(fā)動(dòng)機(jī)供電，占用了潛艇過(guò)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(huì)被取代。”易芳說(shuō)。

　　鋰電池其實(shí)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(jī)器人、無(wú)人偵察機(jī)等。軍用設(shè)備電源的能量密度、續(xù)航時(shí)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(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，成為軍用設(shè)備電源的首選。

　　易芳指出，“由于潛艇潛航時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的要求很高，一種電池技術(shù)如果沒(méi)有成熟是不敢貿(mào)然使用的，因?yàn)橐坏┕╇娭袛啾厝粚?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(kāi)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(dòng)力潛艇具備獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，各國(guó)技術(shù)人員一直在進(jìn)行不斷地設(shè)計(jì)改進(jìn)，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(guò)銀鋅電池。上世紀(jì)50年代，美國(guó)用“大青花魚(yú)”號(hào)常規(guī)動(dòng)力高速試驗(yàn)潛艇試驗(yàn)過(guò)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(dòng)1.5小時(shí)，這是首次常規(guī)潛艇達(dá)到核潛艇的運(yùn)動(dòng)能力。不過(guò)銀鋅電池價(jià)格過(guò)于昂貴，制造這些電池的銀錠還是從美國(guó)國(guó)庫(kù)中借出來(lái)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(jìn)行充放電循環(huán)，把電能儲(chǔ)存起來(lái)進(jìn)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(zhǎng)期工作，可以認(rèn)為是一種‘亞核潛艇’。”易芳說(shuō)，“而鋰離子電池是一種蓄電池，需要進(jìn)行充電。也就是說(shuō)，鋰電潛艇在潛航一段時(shí)間以后，也需要上浮至水面，由柴油發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)進(jìn)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(lái)是否會(huì)在戰(zhàn)場(chǎng)上廣泛應(yīng)用，或者只是過(guò)渡階段的替代品？未來(lái)鋰電潛艇會(huì)像現(xiàn)在電動(dòng)汽車取代燃油汽車那樣，成為未來(lái)常規(guī)動(dòng)力潛艇的首選配置嗎？

　　對(duì)此，易芳認(rèn)為，“鋰電池在常規(guī)潛艇上運(yùn)用只是其中一種成熟方案，是隨著相關(guān)國(guó)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(zhǎng)、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為電力推進(jìn)分系統(tǒng)的一種選擇而已，也并非過(guò)渡階段的替代品，是水到渠成的一種必然選擇。事實(shí)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(lái)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。”(記者 張 強(qiáng))