锂离子电池舰船应用现状及前景

舰船蓄电池，是供舰船动力、照明、通信、信号和应急电源的化学电源装备。目前，铅酸蓄电池以安全可靠、价格低廉成为特种、航母、水面舰等舰船领域应用的重要蓄电池。

例如，国外特种用铅酸蓄电池生产国家重要有德、英、法、俄、希腊等国，最先进的特种动力蓄电池有德国85型蓄电池和俄罗斯476型蓄电池，这两型蓄电池不仅比能高，寿命长（达5年以上），而且在析氢量方面也大幅降低。

锂离子动力锂离子电池具有比能量高、充放电特性好、正常使用无析氢析酸、循环寿命长、使用维护简便等优势，能较好的克服铅酸蓄电池存在的不足，国外已实现舰船应用，国内已经积累了电动汽车、电网储能、无人系统移动平台等领域应用相关相关经验。

本文重点介绍锂离子电池技术及其在舰船行业的应用现状和前景。

1、锂离子电池工作原理及优势

与铅酸电池相比，锂离子电池有如下特点（见表1）：

锂离子电池能量密度高、倍率性能好、循环寿命长、免维护，是较为理想的特种动力锂离子电池之一，作为舰船备用电池可满足减重、免维护等需求。同时，随着舰船向全电推进方向发展，高能电磁武器对高功率电源技术需求迫切，锂离子电池的高功率特性可满足高能电磁武器发展需求，具有巨大的应用前景。

2、锂离子电池在舰船领域应用现状

2.1、国外应用现状

国外锂离子电池在民用电动船舶以及特种特种等领域已得到较为实际应用。

锂离子电池在民用电动船舶领域（如表2所示）重要用于混合动力和纯电动力电动船舶，锂离子动力锂离子电池系统总能量可达到几百千瓦时至兆瓦时，采用的锂离子电池体系包括磷酸铁锂离子电池和三元锂离子电池。船用模块为了满足系统大能量需求，要大规模阵列设计，以货架或电池柜形式布置。船用推进系统电压一般在600-1000V左右，一般将电池分簇管理，每个电池簇之间并联，通过能源管理系统控制充放电。

锂离子电池系统在特种舰船领域上的应用得到了飞快的发展，2005年，特种单艇采用了1.5kWh的锂离子电池系统，到2006年，已经扩展到15kWh，至2011年，锂离子电池系统在特种和水面舰艇上的应用已超过1000kWh（图2）。

同时，国外重要特种强国在特种用锂离子动力锂离子电池领域已经取得突破性进展。日本已成功实现2艘特种换装锂离子电池。日本苍龙级“凰龙”号是首艘配备锂离子电池的特种（图3a）于2018年十月下水，采用日本汤浅公司的锂离子电池取代了传统的铅酸以及AIP系统，成为日本首艘，同时也是世界首艘采用锂离子电池作为主动力的特种，可实现蓄电容量将增至2倍左右，续航力翻倍。2019年十一月六日，“苍龙”级特种的12号舰“登龙”（图3b）的特种下水，同样采用锂离子电池作为动力。日本接下来的新一代特种，将搭载与“凰龙”号和“登龙”号同样的锂离子电池。其他发达国家也开始在特种设计方法中采用锂离子电池作为动力系统，德国德森克虏伯公司与德国GAIA锂离子电池技术公司签订了研发用于有人驾驶船舶的大型锂离子电池技术合同，并于2011年九月明确提出，在216型特种（图3c）推进系统设计方法中，采用锂离子电池取代铅酸电池。2008年，法国海军集团公司与SAFT公司签署协议，正式开展特种锂离子动力系统研制工作。2014年，法国海军首度公开了“短鳍梭鱼”级常规特种，该特种将采用锂离子电池动力系统。2017年七月，俄罗斯完成第五代常规特种“卡琳娜”级初步设计工作，该艇动力系统也将采用锂离子电池和俄罗斯新研发的制氢AIP系统。2016年，韩国正式开展本国自主设计的KSS-3型特种（图3d）研制工作并开工建造，计划从4号艇开始采用锂离子电池动力系统，该系统由韩国三星集团负责。

2.2、国内应用现状

国内锂离子电池在电池车、储能领域大规模应用的基础上，近几年在电动船舶领域的应用发展迅速，相关规范逐步建立。其中，我国船级社《纯电池电动船舶检验指南》（2019）已经公布。出于安全性考虑，国内电动船舶领域应用的锂离子电池重要以磷酸铁锂离子电池为主。长江“君旅号”电动船（如图4a所示）是目前长江上首艘载人游轮，载客量达到300，电池系统总能量达到2.2MWh，单次充满电可航行8h，由特种第712研究所供应包括锂离子电池系统在内的整套动力系统（如图4b所示）。同时，锂离子电池在电动自卸船、货船以及东湖游船等景区游览船领域迎来了爆发式上升。广船国际有限公司建造的2000吨级电动自卸船（如图4c所示），船上安装有重达26吨的超级电容和超大功率锂离子电池，整船电池容量约为2400千瓦时，约2小时即可完成充电，满载情况下可续航80公里；上海瑞华集团改造的500吨级纯电动货船（如图4d所示），该船以160千瓦变频电机为动力推进系统，配备了9组磷酸铁锂动力锂离子电池组和超级电容为储能及标准岸电充电系统，9组储能电池若同时充电，2到3小时即可充满，充满1次可航行50个小时，航程可达500公里。

锂离子电池在特种领域的应用奠定了良好的应用基础。其中，锂离子电池安全问题是要解决的关键技术难题。特种舰船对锂离子电池的安全性要求高，解决锂离子电池安全性问题是一个系统工程。

锂离子电池安全性以预防为主，灭火为辅，需在电芯热失控阶段执行阻断电芯间换热、疏导失控电芯热量至外界、灭明火、隔离空气、隔离电池热失控喷出物等干预措施[9]。后续在系统级防护中，辅以有效的灭火剂喷淋，在电池管理系统及人为干预控制下的合理喷射时间与剂量。

其中，热量的阻断和疏导是控制热失控、解决电池模块或电池组安全问题的关键步骤。通过增大电池之间的热阻可以有效削弱电池之间的热传导。疏导热失控电池出现的热量可通过填充导热材料，新增导热途径如风冷、液冷等。紧急情况下直接对热失控单体喷淋液氮、纯水等介质。

经过多层安全防护措施，提高锂离子电池系统的安全性，实现即使锂离子电池单体发生热失控，但热失控范围可控制在模块内部，不会出现模块之间的热失控传播，实现电池系统层级安全，满足锂离子电池在舰船特种领域上应用的要求。

3、锂离子电池舰船应用前景

铅酸蓄电池经过多年的研发、改进，已基本达到其综合电化学性能的极限，未来改进空间较小，已无法满足现有舰船对动力电源的要。锂离子电池在民用电动船舶已得到了规模化应用，在国外特种等舰船领域得到了装备应用，是舰船电池技术的重要发展方向之一。

因而，随着锂离子电池安全性关键技术问题的攻克，锂离子电池在特种、航母以及水面舰等领域将迎来迅速发展，大幅提升装备性能。同时，随着舰船向全电推进方向发展以及综合电力系统的应用，电磁弹射、电磁炮、电磁特种发射等对高功率电池技术需求迫切，锂离子电池的高功率特性将在该领域发挥巨大优势和重要用途。