水下作战又有了新动力系统 走进锂电潜艇的前世今生

科技新闻来源：科技日报 2018年10月17日 11:32

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　　世界第一艘以锂离子电池作为动力的潜艇“凰龙”号

　　科技日报记者 张 强

　　连日来，很多人的朋友圈都被日本最新的锂离子聚合物电池潜艇刷屏。近日，日本第11艘苍龙级“凰龙”号常规动力潜艇下水，这也是世界上第一艘使用锂离子电池作为动力的潜艇。

　　早在2014年日本海上自卫队就宣布，2015年开工的苍龙级潜艇将革命性地采用锂离子电池。当时有国外媒体报道，日本苍龙级潜艇在换装锂离子电池的同时还将取消原有的AIP系统，即只保留锂电池组+柴油机的动力组合。对于这种革命性的设想，当时的观点却不甚统一，很多人对这种颇为激进的设计心存疑虑。“凰龙”号的下水使这种激进的设计变为现实。

　　瞭望智库特约研究员易芳指出：“锂电潜艇是锂离子聚合物电池成熟情况下，作为改进AIP潜艇电力推进分系统的一种方式，但绝不是唯一先进的方式。”

　　蓄电池性能制约催生了AIP潜艇

　　潜艇自问世以来就以其神鬼莫测的隐蔽性、较强的突击性，成为各个国家积极发展的海战利器。然而早期的潜艇却和人们的设想相去甚远。在人们的设想里，潜艇应该和科幻小说《海底两万里》中的“鹦鹉螺”号那般，能长时间航行于大洋深处。但技术却限制了人们的想象力，一直到二战期间，各国军队使用的还是19世纪末期科学家们发明的柴电动力潜艇，即水面航行时使用内燃机，在水下航行时则使用蓄电池和电动机。而这种设计一直到今天仍然有广泛的市场。

　　由于电池技术的限制，柴电潜艇只能在水下航行10—100个小时，就必须充电。柴油机的运行离不开氧气，因此必须浮上水面，或者采用通气管。这样一来，其隐蔽性就大大降低。为此，人们也一直在寻找各种方式，来突破这一制约，以核能作为动力就是选择之一。美国人所设计的世界上第一艘核潜艇就使用了“鹦鹉螺”号的名字。但是限于各种制约，核潜艇始终是少数国家的专利。

　　对于适用范围更广的常规动力潜艇来说，究竟有没有更好的解决办法呢？

　　上百年来，由于电池技术进步缓慢，常规动力潜艇一直主要使用着铅酸电池。铅酸电池性能稳定可靠，使用的原材料易于获得且廉价，本身结构简单易于维护。但随着电池技术的进步，铅酸电池的缺点也开始被放大——其体积和重量太大，而储电比能却又很低，而且充满电很费时间，也就是说比起锂电池等后来者其能量密度比较低。

　　因此，要增加柴电潜艇水下航行的持续性和隐蔽性，提高电池的储电能力和效率就变得非常重要。但电池技术的进步显然不能满足军事需求，由此人们研发了不依赖空气的动力推进系统——AIP系统。

　　易芳介绍：“早期的AIP潜艇，如‘斯特林’发动机AIP动力核潜艇，主要采用热力发动机+铅酸蓄电池组的方式作为电力推进分系统，虽然提高了水下安全性能，但降低了水下航速，增加了系统复杂性。因此，后来又有了闭式循环柴油机动力系统、闭式循环蒸汽轮机动力系统和燃料电池动力系统等方式出现。”

　　铅酸电池必将被新式电池取代

　　AIP潜艇从一定程度上降低了潜艇对蓄电池的要求，但这不意味着潜艇就不需要更好的电池。毕竟，相较柴电潜艇，AIP潜艇的系统更为复杂。

　　“凰龙”号在维持规格和航速不变的情况下，使用锂离子电池替换掉整个“斯特林”发动机的AIP动力系统和铅酸蓄电池。

　　“凰龙”号所采用的这种设计使得当前最热门的AIP潜艇有了新的替代方式，从技术原理上看，又变回了柴电潜艇。

　　“铅酸电池存在一系列问题，而且根据其工作原理改进的空间十分有限，而且还需要额外的发动机供电，占用了潜艇过多的空间，因此一旦出现更成熟电池技术，例如锂离子聚合物电池，就必然会被取代。”易芳说。

　　锂电池其实早已在其中武器系统中应用，涵盖了陆海空天等诸多兵种，比如军用通信设备、水下机器人、无人侦察机等。军用设备电源的能量密度、续航时间、体积重量等是影响作战能力的重要因素，而锂电池具有的能量密度高、体积小、重量轻、循环寿命长等优势，成为军用设备电源的首选。

　　易芳指出，“由于潜艇潜航时对电力系统的要求很高，一种电池技术如果没有成熟是不敢贸然使用的，因为一旦供电中断必然导致潜艇安全事故。因此之前的常规潜艇主要使用成熟的铅酸蓄电池，直到锂离子聚合物电池等电池技术逐渐成熟之后，才开始采用新的替代方案。”

　　锂电潜艇出现属于水到渠成

　　因常规动力潜艇具备独特优势，各国技术人员一直在进行不断地设计改进，包括不断尝试各种新式的电池技术。

　　除了锂电池之外，技术人员还使用过银锌电池。上世纪50年代，美国用“大青花鱼”号常规动力高速试验潜艇试验过银锌电池。有文章指出，1500吨排水量的潜艇使用了220吨电池，可以让1500吨的潜艇以33节的速度活动1.5小时，这是首次常规潜艇达到核潜艇的运动能力。不过银锌电池价格过于昂贵，制造这些电池的银锭还是从美国国库中借出来的。

　　当前，AIP潜艇家族中还有一种燃料电池AIP潜艇，然而燃料电池潜艇和日本的锂电潜艇有着本质区别。燃料电池属于一次电池，它可以把燃料的化学能直接转化为电能，也叫电化学发电器。而蓄电池属于二次电池，需要进行充放电循环，把电能储存起来进行放电。

　　“燃料电池是一种自供能的电池技术。这种潜艇只要燃料足够、废弃物排放科学，是可以在水下长期工作，可以认为是一种‘亚核潜艇’。”易芳说，“而锂离子电池是一种蓄电池，需要进行充电。也就是说，锂电潜艇在潜航一段时间以后，也需要上浮至水面，由柴油发电机组系统进行充电，待充电完成后才能继续下潜作业。”

　　很多人关心，锂电池已在潜艇及众多武器上得到了应用，那么它未来是否会在战场上广泛应用，或者只是过渡阶段的替代品？未来锂电潜艇会像现在电动汽车取代燃油汽车那样，成为未来常规动力潜艇的首选配置吗？

　　对此，易芳认为，“锂电池在常规潜艇上运用只是其中一种成熟方案，是随着相关国家技术成熟的出现而出现，主要由于其具有比容量高、单电池输出电压高、自放电率低、使用寿命长、安全性能好等优点，成为电力推进分系统的一种选择而已，也并非过渡阶段的替代品，是水到渠成的一种必然选择。事实上，钠—氯化镍等新型高能热电池也是可供选择的一种方案。当前，燃料电池AIP潜艇的前景比较好，是未来研究的主要方向，将燃料电池技术与蓄电池技术结合，可以确保常规AIP潜艇更好的安全性。”