鋰離子電池艦船應用現狀及前景

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

例如，國外特種用鉛酸蓄電池生產國家重要有德、英、法、俄、希臘等國，最先進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、循環壽命長、使用維護簡便等優勢，能較好的克服鉛酸蓄電池存在的不足，國外已實現艦船應用，國內已經積累了電動汽車、電網儲能、無人系統移動平臺等領域應用相關相關經驗。

本文重點介紹鋰離子電池技術及其在艦船行業的應用現狀和前景。

1、鋰離子電池工作原理及優勢

與鉛酸電池相比，鋰離子電池有如下特點（見表1）：

鋰離子電池能量密度高、倍率性能好、循環壽命長、免維護，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、免維護等需求。同時，隨著艦船向全電推進方向發展，高能電磁武器對高功率電源技術需求迫切，鋰離子電池的高功率特性可滿足高能電磁武器發展需求，具有巨大的應用前景。

2、鋰離子電池在艦船領域應用現狀

2.1、國外應用現狀

國外鋰離子電池在民用電動船舶以及特種特種等領域已得到較為實際應用。

鋰離子電池在民用電動船舶領域（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總能量可達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大能量需求，要大規模陣列設計，以貨架或電池柜形式布置。船用推進系統電壓一般在600-1000V左右，一般將電池分簇管理，每個電池簇之間并聯，通過能源管理系統控制充放電。

鋰離子電池系統在特種艦船領域上的應用得到了飛快的發展，2005年，特種單艇采用了1.5kWh的鋰離子電池系統，到2006年，已經擴展到15kWh，至2011年，鋰離子電池系統在特種和水面艦艇上的應用已超過1000kWh（圖2）。

同時，國外重要特種強國在特種用鋰離子動力鋰離子電池領域已經取得突破性進展。日本已成功實現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的鉛酸以及AIP系統，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，可實現蓄電容量將增至2倍左右，續航力翻倍。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。其他發達國家也開始在特種設計方法中采用鋰離子電池作為動力系統，德國德森克虜伯公司與德國GAIA鋰離子電池技術公司簽訂了研發用于有人駕駛船舶的大型鋰離子電池技術合同，并于2011年九月明確提出，在216型特種（圖3c）推進系統設計方法中，采用鋰離子電池取代鉛酸電池。2008年，法國海軍集團公司與SAFT公司簽署協議，正式開展特種鋰離子動力系統研制工作。2014年，法國海軍首度公開了“短鰭梭魚”級常規特種，該特種將采用鋰離子電池動力系統。2017年七月，俄羅斯完成第五代常規特種“卡琳娜”級初步設計工作，該艇動力系統也將采用鋰離子電池和俄羅斯新研發的制氫AIP系統。2016年，韓國正式開展本國自主設計的KSS-3型特種（圖3d）研制工作并開工建造，計劃從4號艇開始采用鋰離子電池動力系統，該系統由韓國三星集團負責。

2.2、國內應用現狀

國內鋰離子電池在電池車、儲能領域大規模應用的基礎上，近幾年在電動船舶領域的應用發展迅速，相關規范逐步建立。其中，我國船級社《純電池電動船舶檢驗指南》（2019）已經公布。出于安全性考慮，國內電動船舶領域應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，載客量達到300，電池系統總能量達到2.2MWh，單次充滿電可航行8h，由特種第712研究所供應包括鋰離子電池系統在內的整套動力系統（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游覽船領域迎來了爆發式上升。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，滿載情況下可續航80公里；上海瑞華集團改造的500噸級純電動貨船（如圖4d所示），該船以160千瓦變頻電機為動力推進系統，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準岸電充電系統，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500公里。

鋰離子電池在特種領域的應用奠定了良好的應用基礎。其中，鋰離子電池安全問題是要解決的關鍵技術難題。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工程。

鋰離子電池安全性以預防為主，滅火為輔，需在電芯熱失控階段執行阻斷電芯間換熱、疏導失控電芯熱量至外界、滅明火、隔離空氣、隔離電池熱失控噴出物等干預措施[9]。后續在系統級防護中，輔以有效的滅火劑噴淋，在電池管理系統及人為干預控制下的合理噴射時間與劑量。

其中，熱量的阻斷和疏導是控制熱失控、解決電池模塊或電池組安全問題的關鍵步驟。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。疏導熱失控電池出現的熱量可通過填充導熱材料，新增導熱途徑如風冷、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。

經過多層安全防護措施，提高鋰離子電池系統的安全性，實現即使鋰離子電池單體發生熱失控，但熱失控范圍可控制在模塊內部，不會出現模塊之間的熱失控傳播，實現電池系統層級安全，滿足鋰離子電池在艦船特種領域上應用的要求。

3、鋰離子電池艦船應用前景

鉛酸蓄電池經過多年的研發、改進，已基本達到其綜合電化學性能的極限，未來改進空間較小，已無法滿足現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模化應用，在國外特種等艦船領域得到了裝備應用，是艦船電池技術的重要發展方向之一。

因而，隨著鋰離子電池安全性關鍵技術問題的攻克，鋰離子電池在特種、航母以及水面艦等領域將迎來迅速發展，大幅提升裝備性能。同時，隨著艦船向全電推進方向發展以及綜合電力系統的應用，電磁彈射、電磁炮、電磁特種發射等對高功率電池技術需求迫切，鋰離子電池的高功率特性將在該領域發揮巨大優勢和重要用途。