先進儲能技術已成軍事裝備領域“重中之重”

能源是提供物質(zhì)的資源。當前石油、天然氣等不可再生能源的消耗速度在不斷加快，能源領域的變革已經(jīng)迫在眉睫。軍事能源關乎軍隊戰(zhàn)斗力，關乎國家安全大局。同時，軍事能源也是能源革命的先行領域，扮演著能源技術發(fā)展“領頭羊”的角色。當前，世界各軍事強國均把新能源技術作為新一輪科技革命、產(chǎn)業(yè)革命和軍事革命的重要突破口。美國、歐盟、日本等國在未來幾十年中將發(fā)展新型能源技術作為科技創(chuàng)新領域的重要任務。習近平主席審時度勢、總攬全局，強調(diào)“軍事能源問題事關重大，要認真研究，確保軍事能源保障的安全、高效和可持續(xù)”“加快構(gòu)建現(xiàn)代軍事能源體系”，把“新能源”作為軍民融合發(fā)展六大新興重點領域之一。隨著新能源技術不斷發(fā)展，儲能技術已經(jīng)成為新能源領域的研究熱點。而電化學儲能技術作為一種關鍵的能源存儲技術，在其中更是發(fā)揮了不可替代的作用。

先進儲能技術概述

能源是人類社會發(fā)展進步的物質(zhì)基礎，與信息和材料并稱為當代社會的三大支柱。儲能是指通過介質(zhì)或設備把能量存儲起來而在需要的時候再釋放的過程，是提高能源利用效率的重要手段，是實現(xiàn)新型可再生能源實際應用的重要環(huán)節(jié)。儲能技術是智能電網(wǎng)的支撐技術，是可再生能源接入能源網(wǎng)絡的橋梁、同時也是電動汽車技術發(fā)展的核心技術之一，在軍民領域都有著廣泛應用。電化學儲能技術是儲能技術中最重要的部分。先進能源包括太陽能、風能、海洋能等可再生能源通常具有顯著的不可控、不穩(wěn)定以及不連續(xù)的特征，這類能源的存儲較為困難。而先進儲能技術則是解決這類可再生能源有效利用的關鍵技術。通常包括兩個方面：

物理儲能 ：包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導體磁儲能等。在物理儲能技術中儲能媒介不發(fā)生化學變化，效率較低，通常對設備和場地要求較高，前期投資比較大。新型物理儲能方式如飛輪儲能、超導磁儲能將電能以電磁能、動能等形式進行存儲具有充放電速度快，效率高的優(yōu)點，但是制造成本較高，能量密度低。

化學儲能：包括鉛酸電池、鋰離子電池、釩電池、鈉硫電池、燃料電池、超級電容器等。充放電過程伴隨儲能介質(zhì)的化學反應或者元素價態(tài)的變化。具有分布靈活、占地小、效率高、環(huán)境影響小等優(yōu)點，同時也存在使用壽命有限的缺點。在民用領域，儲能技術是加強智能電網(wǎng)建設的重要組成部分，可以有效實現(xiàn)需求側(cè)管理，消除晝夜峰谷差、平滑負荷，提高電力設備運行效率、降低供電成本，促進可再生能源應用，也可作為提高電網(wǎng)運行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補償負荷波動的一種手段。在國防軍事領域，儲能技術可用于戰(zhàn)場電力系統(tǒng)的調(diào)峰和高能武器及投送裝備的動力源，將來甚至有可能取代燃油發(fā)電機成為戰(zhàn)場上的主要電力供應系統(tǒng)，從而有效克服裝備高原高寒地區(qū)動力不足的問題，提高戰(zhàn)略投送能力與效能。

先進電化學儲能技術在軍事裝備領域的應用

電能是人類社會生產(chǎn)生活不可或缺的二次能源。儲能技術應用最為廣泛的就是電化學儲能技術。電化學儲能是利用化學反應，將電能以化學能進行存儲和再釋放的過程。自1859年鉛酸蓄電池問世以來，化學電池始終向高容量、高功率、低污染、長壽命、高安全性方向發(fā)展。傳統(tǒng)電化學儲能器件主要以鋰離子電池和鉛酸電池為主，隨著技術的不斷進步，鋰離子電池和鉛酸電池在生產(chǎn)加工及技術上都取得了長足發(fā)展，新型電池如全釩液流電池等橫空出世。當前，鉛酸電池、鋰離子電池、釩液流電池和鈉硫電池是研究的重點熱點。新型物流交通工具如新能源電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰硫電池、鋰空氣電池等技術也不斷開發(fā)完善來適應未來新能源汽車發(fā)展需求。電化學儲能技術無論在國防領域還是民用領域都有著廣泛應用，正深刻影響著人們生活和未來作戰(zhàn)與保障模式。

信息化戰(zhàn)爭背景，越來越多的數(shù)字化武器裝備在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中嶄露頭角，在軍事上得到廣泛應用。高性能的武器裝備需要可靠性強、安全性好、環(huán)境適應性好、比能量高的軍用儲能設備來滿足其穩(wěn)定運行的能源需求?，F(xiàn)從以下幾個方面介紹電化學儲能技術在武器、軍事裝備領域的應用。

一是單兵系統(tǒng)的供能設備。1997年5月以來，美國防部著手進行軍隊轉(zhuǎn)型，加速建立信息化快反部隊。“未來作戰(zhàn)系統(tǒng)”中的核心即網(wǎng)絡中心戰(zhàn)，將整個戰(zhàn)場構(gòu)建成一個縱橫密布的信息化網(wǎng)絡，而戰(zhàn)場上的每個作戰(zhàn)平臺都構(gòu)成了一個節(jié)點，使得作戰(zhàn)部隊具備完備的信息溝通聯(lián)通能力、戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力以及體系作戰(zhàn)和協(xié)同作戰(zhàn)的能力。每個平臺都需要獨立使用各類信息設備，電源必不可少，電池的容量和能量密度等性能成為了非常重要的評價指標。伊拉克戰(zhàn)爭中，美軍BB-2590型鋰離子電池受到作戰(zhàn)部隊官兵的好評，每塊電池能工作30小時以上。除此之外，英國“未來士兵技術”計劃(FIST)、德國ldz計劃，法國FELIN，意大利SF計劃，荷蘭SMP計劃都將單兵電源列入單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展計劃之中。

近些年來，隨著人體增強技術的發(fā)展，單兵外骨骼系統(tǒng)進入人們的視野，它能夠有效減輕士兵的負重，還能增強穿戴者的力量、速度、耐力。毋庸置疑，軍用外骨骼系統(tǒng)中的電源裝置作為主要供能設備，也發(fā)揮著著不可替代的作用。美國、俄羅斯、法國等都陸續(xù)啟動了多個軍用外骨骼系統(tǒng)的項目，以增強士兵的作戰(zhàn)能力。美國國防部高級研究計劃局DARPA資助研發(fā)的“勇士織衣”是一種重量輕、柔韌性好的內(nèi)穿型作戰(zhàn)服，美軍方對其電池系統(tǒng)提出的作戰(zhàn)指標是重不超4.5公斤，在不充電的情況下可以連續(xù)使用24小時。目前，軍用外骨骼系統(tǒng)還處在大力發(fā)展的階段。

二是作戰(zhàn)平臺的動力能源。早在第二次世界大戰(zhàn)期間，納粹德國就將配備線導控制的無人爆破戰(zhàn)車“歌利亞(Goliath)”投入了戰(zhàn)車，它有電動和汽油兩種版本。現(xiàn)如今，西方國家軍隊已開發(fā)或正在開發(fā)油電混合驅(qū)動的軍用車輛應用于未來戰(zhàn)爭系統(tǒng)，以緩解日趨嚴峻的能源形勢，降低車輛研發(fā)成本，改進車輛燃油消耗，減少與燃料保障緊密有關的后勤需求，同時還可減輕平臺整體重量。混合動力汽車除了能夠降低油耗和減少排放外，還可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)按純電動模式運行，使得車輛和作戰(zhàn)平臺具備一定的隱蔽性。美軍在2015年曾經(jīng)測試了一款由美國陸軍納迪克士兵研究開發(fā)與工程中心牽頭研發(fā)的ULV(Ultra Light Vehicle)油電混動軍車，它的動力核心為油電混合驅(qū)動，整套載具匹配了一組14.2度電的磷酸鐵鋰電池，在混動狀態(tài)最大行駛里程可達到700公里，純電續(xù)航狀態(tài)下幾乎不產(chǎn)生噪音，最大行駛里程可達到33.7公里。

近些年來，美軍、法軍、德軍以及日本自衛(wèi)隊在油電混合以及純電動軍車的實用性上也獲得了一定的突破。實際上，近些年來北約等軍事強國由較早動力電池研發(fā)轉(zhuǎn)向動力電池與傳動技術并行的研發(fā)階段。2010年美軍在輪轂電機軍事應用上取得了突破進展，輪轂電機可以使得動力通過線纜直接傳遞給全部驅(qū)動輪，取消了復雜的前傳動軸和前部分動箱，從而減輕了車身自重，減小了噪音。日本自衛(wèi)隊將輪轂電機應用于六輪混動105突擊炮上。俄羅斯“白楊”系列導彈運輸車也采用燃氣輪機發(fā)電與輪轂電機驅(qū)動協(xié)同的模式。萊茵金屬公司研制的GeFaS“混動”地空導彈發(fā)射車也采用了輪轂電機技術，它4軸8輪，主要為德國國防軍偵察部隊設計。此外，美、英、法都研發(fā)了配備輪轂電機的混合動力輪式裝甲車。近幾年，西方軍事強國在“混合動力”等新技術領域有了突飛猛進的發(fā)展，有車輛已經(jīng)進入了測試階段，而我國對于“新能源”、“混合動力”的應用，尤其是在軍事方面的應用，與西方國家有著不小的差距。

在海軍裝備領域，應用同樣廣泛。通用公司與美海軍水面作戰(zhàn)合作，為美軍海豹突擊隊迷你潛艇提供電池作為潛艇主要動力能源。動力能源應用于水下潛航器能大大增加其隱蔽性，同時還能提升其機動性和安全性——北約國家軍隊將鉛酸、鎳氫和鋰離子電池應用在素有“水下輕騎兵”的蛙人運載器上。美海軍“先進蛙人輸送系統(tǒng)”(ASDS)、“無人水下航行器”(UUV)，“海底滑行者”無人水下偵查監(jiān)視潛航器，以及英國海軍多用途無人潛航器(UUV)“泰利斯曼”(Tailsman)都以鋰離子電池組作為主要動力源。此外，高性能電池還能增加水下潛航器的續(xù)航能力，使用柴電動力的俄羅斯海軍“拉達”級非核潛艇水下續(xù)航能力達到6500海里。俄海軍中央設計局“紅寶石”專家預測，裝備鋰離子電池組的“阿穆爾1650”型潛艇水下續(xù)航能力和航速都將得到大幅提高。日本海軍蒼龍級潛艇不僅采用傳統(tǒng)的柴電推進，更是引進了先進的AIP“混動”技術，并加以改進。

航空航天領域，儲能技術的表現(xiàn)也毫不遜色。電源包括一次化學電池、太陽能電池、化學蓄電池、燃料電池等。2018年電動航空邁向了新的里程，蓄電池與太陽能電池板聯(lián)合組成供電電源廣泛應用在無人小/微型偵察機。無人機執(zhí)行各種室內(nèi)外任務，需要具備較高機動性，以及較強續(xù)航能力，這個過程中儲能系統(tǒng)顯得至關重要。20世紀90年代，美國國防高級研究計劃局(DARPR)決定研究小/微型無人機來執(zhí)行戰(zhàn)場環(huán)境偵察任務，無人機在阿富汗戰(zhàn)爭和伊拉克戰(zhàn)爭中表現(xiàn)不俗。具有代表性的無人機有AeroViroment公司推出的“龍眼”(Dragoneye)無人機、“黃峰”無人機，以及桑德斯公司推出的“微星”(Microstar)無人機等。儲能技術同樣應用在了航天領域，以美軍X-37B空天戰(zhàn)斗機為例，它與普通軌道飛行器氫氧燃料電池不同，X-37B在軌時通常由砷化鎵太陽能電池和鋰離子電池提供動力。

值得一提的是在新能源領域，一些軍事強國的研發(fā)企業(yè)具有先進的技術，比如美國的通用，克萊斯勒;法國的雷諾;德國的萊茵金屬、奔馳;日本的豐田和三菱，它們既是本國汽車產(chǎn)業(yè)的領軍企業(yè)，又是規(guī)模龐大的軍工企業(yè)，為本國的軍隊提供尖端的技術以及擔負著裝備制造的任務，具備強大的研發(fā)能力。

三是裝備及后勤保障供能。儲能技術同樣服務于作戰(zhàn)保障。機載、車載和艦載通信設備多使用鉛酸電池和鋰離子電池作為電源;荷蘭、瑞典等高緯度國家計劃為其軍隊裝備電熱被服，具有傳統(tǒng)被服不可比擬的保溫性能;美軍還計劃為在熱帶地區(qū)作戰(zhàn)的官兵軍服上裝備特制空調(diào)，以改善作戰(zhàn)條件，同樣是電源供能;野戰(zhàn)部隊在野外宿營通常使用發(fā)電機供電，噪聲大，熱輻射強，隱蔽性差，若使用大容量的電源為指揮系統(tǒng)和后勤保障系統(tǒng)供電，則可大大提高其隱蔽性。

先進電化學儲能技術未來可期

科技是核心戰(zhàn)斗力，新型先進能源的開發(fā)利用已成必然趨勢，先進電化學儲能技術在新型能源發(fā)展過程中必不可少，聚焦備戰(zhàn)打仗，聚焦創(chuàng)新驅(qū)動，聚焦軍民融合，軍事能源與軍事裝備必須協(xié)同推進、強強聯(lián)合。當然，新型儲能技術以及新能源產(chǎn)業(yè)還面臨著諸多挑戰(zhàn)，產(chǎn)業(yè)鏈還不完全，基礎設施還不完善，政策法規(guī)相對滯后，距離新能源物流車市場上全面推開還有不小的距離。在軍事裝備領域，由于關鍵技術還不成熟，裝備維修和保障成本較高，我軍武器裝備利用新型先進能源還較少，先進儲能技術推廣力度小，大規(guī)模推廣慢?？梢灶A見，無論是軍用領域還是民用領域，儲能技術還存在著很大發(fā)展空間。展望如下：

一、向法治與機制進軍。建立政府主導、企業(yè)協(xié)調(diào)、共同參與、多方受益的務實推進機制，為技術創(chuàng)新注入動力，營造寬松的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，促進產(chǎn)品性能升級，引導新能源產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。同時加速完善各類基礎設施，建立統(tǒng)一的通用標準和配套措施，在軍事裝備方面，也應加快軍地接軌，以軍事裝備的發(fā)展帶動軍事能源的發(fā)展，共同促進新能源新裝備蓬勃發(fā)展。

二、加大產(chǎn)學研結(jié)合力度。要下決心建立產(chǎn)學研聯(lián)合體，加強高校、科研院所、能源企業(yè)、汽車企業(yè)以及交通運輸企業(yè)的合作力度，促進緊密合作創(chuàng)新，不斷突破相關技術難度，加快科技成果轉(zhuǎn)化。同時也應當建立市場化、專業(yè)化、社會化的技術轉(zhuǎn)移創(chuàng)新服務體系，增強動力，促進產(chǎn)學研緊密合作創(chuàng)新。

三、加深軍民融合發(fā)展。以軍事物流需求為主導，充分發(fā)揮地方能源企業(yè)、軍工企業(yè)、物流企業(yè)的協(xié)同作用，軍地雙方做到優(yōu)勢互補，共同進步。強化科技協(xié)同創(chuàng)新，促進資源統(tǒng)籌共享，不僅在技術層面，同時在需求和應用層面實現(xiàn)全面融合深度融合。“軍轉(zhuǎn)民”促進國防科技造福社會，釋放更大的經(jīng)濟效益;“民參軍”補齊軍隊發(fā)展短板，突破瓶頸，助力國防科技更好更快發(fā)展。儲能技術將會在未來的軍事領域中發(fā)揮重要的作用，軍民融合是推動儲能技術快速發(fā)展高效且可行之路。

能源與環(huán)境問題已成為制約人類社會發(fā)展的關鍵因素。儲能是提高能源利用效率的重要手段，是實現(xiàn)新型可再生能源實際應用的重要環(huán)節(jié)。電化學儲能作為儲能技術的重要組成部分，相關技術研究顯得至關重要。綜述電化學儲能技術及其在武器及裝備領域的應用，我們相信，隨著技術發(fā)展和制度的配套完善，電化學儲能技術會在我軍武器裝備建設、軍事物流投送等方面發(fā)揮更重要的作用。