走進鋰電潛艇的前世今生

    原標題：水下作戰又有了新動力係統

    走進鋰電潛艇的前世今生

世界第一艘以鋰離子電池作為動力的潛艇“凰龍”號

    連日來，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“凰龍”號常規動力潛艇下水，這也是世界上第一艘使用鋰離子電池作為動力的潛艇。

    早在2014年日本海上自衛隊就宣布，2015年開工的蒼龍級潛艇將革命性地採用鋰離子電池。當時有國外媒體報道，日本蒼龍級潛艇在換裝鋰離子電池的同時還將取消原有的AIP係統，即只保留鋰電池組+柴油機的動力組合。對于這種革命性的設想，當時的觀點卻不甚統一，很多人對這種頗為激進的設計心存疑慮。“凰龍”號的下水使這種激進的設計變為現實。

    瞭望智庫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AIP潛艇電力推進分係統的一種方式，但絕不是唯一先進的方式。”

    蓄電池性能制約催生了AIP潛艇

    潛艇自問世以來就以其神鬼莫測的隱蔽性、較強的突擊性，成為各個國家積極發展的海戰利器。然而早期的潛艇卻和人們的設想相去甚遠。在人們的設想裏，潛艇應該和科幻小説《海底兩萬裏》中的“鸚鵡螺”號那般，能長時間航行于大洋深處。但技術卻限制了人們的想像力，一直到二戰期間，各國軍隊使用的還是19世紀末期科學家們發明的柴電動力潛艇，即水面航行時使用內燃機，在水下航行時則使用蓄電池和電動機。而這種設計一直到今天仍然有廣泛的市場。

    由于電池技術的限制，柴電潛艇只能在水下航行10—100個小時，就必須充電。柴油機的運作離不開氧氣，因此必須浮上水面，或者採用通氣管。這樣一來，其隱蔽性就大大降低。為此，人們也一直在尋找各種方式，來突破這一制約，以核能作為動力就是選擇之一。美國人所設計的世界上第一艘核潛艇就使用了“鸚鵡螺”號的名字。但是限于各種制約，核潛艇始終是少數國家的專利。

    對于適用范圍更廣的常規動力潛艇來説，究竟有沒有更好的解決辦法呢？

    上百年來，由于電池技術進步緩慢，常規動力潛艇一直主要使用著鉛酸電池。鉛酸電池性能穩定可靠，使用的原材料易于獲得且廉價，本身結構簡單易于維護。但隨著電池技術的進步，鉛酸電池的缺點也開始被放大——其體積和重量太大，而儲電比能卻又很低，而且充滿電很費時間，也就是説比起鋰電池等後來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性和隱蔽性，提高電池的儲電能力和效率就變得非常重要。但電池技術的進步顯然不能滿足軍事需求，由此人們研發了不依賴空氣的動力推進係統——AIP係統。

    易芳介紹：“早期的AIP潛艇，如‘斯特林’發動機AIP動力核潛艇，主要採用熱力發動機+鉛酸蓄電池組的方式作為電力推進分係統，雖然提高了水下安全性能，但降低了水下航速，增加了係統復雜性。因此，後來又有了閉式迴圈柴油機動力係統、閉式迴圈蒸汽輪機動力係統和燃料電池動力係統等方式出現。”

    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潛艇的係統更為復雜。

    “凰龍”號在維持規格和航速不變的情況下，使用鋰離子電池替換掉整個“斯特林”發動機的AIP動力係統和鉛酸蓄電池。

    “凰龍”號所採用的這種設計使得當前最熱門的AIP潛艇有了新的替代方式，從技術原理上看，又變回了柴電潛艇。

    “鉛酸電池存在一係列問題，而且根據其工作原理改進的空間十分有限，而且還需要額外的發動機供電，佔用了潛艇過多的空間，因此一旦出現更成熟電池技術，例如鋰離子聚合物電池，就必然會被取代。”易芳説。

    鋰電池其實早已在其中武器係統中應用，涵蓋了陸海空天等諸多兵種，比如軍用通信設備、水下機器人、無人偵察機等。軍用設備電源的能量密度、續航時間、體積重量等是影響作戰能力的重要因素，而鋰電池具有的能量密度高、體積小、重量輕、迴圈壽命長等優勢，成為軍用設備電源的首選。

    易芳指出，“由于潛艇潛航時對電力係統的要求很高，一種電池技術如果沒有成熟是不敢貿然使用的，因為一旦供電中斷必然導致潛艇安全事故。因此之前的常規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逐漸成熟之後，才開始採用新的替代方案。”

    鋰電潛艇出現屬于水到渠成

    因常規動力潛艇具備獨特優勢，各國技術人員一直在進行不斷地設計改進，包括不斷嘗試各種新式的電池技術。

    除了鋰電池之外，技術人員還使用過銀鋅電池。上世紀50年代，美國用“大青花魚”號常規動力高速試驗潛艇試驗過銀鋅電池。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節的速度活動1.5小時，這是首次常規潛艇達到核潛艇的運動能力。不過銀鋅電池價格過于昂貴，制造這些電池的銀錠還是從美國國庫中借出來的。

    當前，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區別。燃料電池屬于一次電池，它可以把燃料的化學能直接轉化為電能，也叫電化學發電器。而蓄電池屬于二次電池，需要進行充放電迴圈，把電能儲存起來進行放電。

    “燃料電池是一種自供能的電池技術。這種潛艇只要燃料足夠、廢棄物排放科學，是可以在水下長期工作，可以認為是一種‘亞核潛艇’。”易芳説，“而鋰離子電池是一種蓄電池，需要進行充電。也就是説，鋰電潛艇在潛航一段時間以後，也需要上浮至水面，由柴油發電機組係統進行充電，待充電完成後才能繼續下潛作業。”

    很多人關心，鋰電池已在潛艇及眾多武器上得到了應用，那麼它未來是否會在戰場上廣泛應用，或者只是過渡階段的替代品？未來鋰電潛艇會像現在電動汽車取代燃油汽車那樣，成為未來常規動力潛艇的首選配置嗎？

    對此，易芳認為，“鋰電池在常規潛艇上運用只是其中一種成熟方案，是隨著相關國家技術成熟的出現而出現，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、安全性能好等優點，成為電力推進分係統的一種選擇而已，也並非過渡階段的替代品，是水到渠成的一種必然選擇。事實上，鈉—氯化鎳等新型高能熱電池也是可供選擇的一種方案。當前，燃料電池AIP潛艇的前景比較好，是未來研究的主要方向，將燃料電池技術與蓄電池技術結合，可以確保常規AIP潛艇更好的安全性。”（張強）