陳新傳 宋強 呂昊

（海軍裝備研究院, 北京 100161）

1 引言

鋰離子動力電池具有比能量高、重量輕、綠色環(huán)保無污染等優(yōu)點，應(yīng)用范圍廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)碼產(chǎn)品、家用電器、電動工具、電動汽車、航空、航天和武器裝備等。隨著技術(shù)的不斷進步，鋰動力電池安全性不斷提高，鋰電池單體容量越來越大，其應(yīng)用于潛艇等大型軍事裝備的可行性也不斷提高。

2 鋰離子電池發(fā)展歷程

二十世紀六十、七十年代發(fā)生的石油危機促使人們尋找新的替代能源。1962年，美國軍方的“鋰非水電解質(zhì)體系”研究報告，最早提出了把活潑金屬鋰引入到電池設(shè)計中的構(gòu)想。1973年，氟化碳鋰原電池在日本松下電器公司實現(xiàn)量產(chǎn)，商品化鋰電池面世。1978年，日本三洋公司的鋰/二氧化錳電池實現(xiàn)量產(chǎn)，鋰電池價格下降，市場占有率上升。鋰一次電池的成功刺激了鋰二次電池的研究熱潮。80年代末，加拿大MoLi能源公司研發(fā)的Li/Mo2鋰金屬二次電池面世，第一塊商品化鋰二次電池誕生。1991年6月，日本索尼公司將液態(tài)電解液鋰離子電池成功實現(xiàn)了商品化。自此之后，鋰離子電池在便攜式電源領(lǐng)域的市場份額不斷擴展。近年來，隨著一些無人電子裝備（如無人水下航行器、無人機）、電動工具、電動汽車等發(fā)展的需要，鋰離子電池以其高比能、長壽命、自放電小、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保等優(yōu)點備受青睞，在動力電源領(lǐng)域得到迅速發(fā)展。

3 國外鋰離子動力電池發(fā)展概況

日本索尼公司對鋰離子電池的研究開展較早，生產(chǎn)的鋰離子電池在性能上和品種上已經(jīng)具備相當(dāng)高的水平。該公司生產(chǎn)的圓柱型單體電池分為高能型和高功率型。其中高能型電池的比能量為110 Wh/kg，80%DOD的比功率300 W/kg，充放電次數(shù) 1200次。高功率型的圓柱電池80%DOD的比功率高達800 W/kg。日本三井造船生產(chǎn)的磷酸鐵鋰動力電池能以20C的倍率放電，10C左右的倍率進行快速充電，在 3C充放電條件下循環(huán)500次，容量保持90%以上。日本湯潛公司（YAUSA）生產(chǎn)的錳酸鋰電池，比能量是鉛酸電池的3倍，計劃取代潛艇用鉛酸電池。裝有該公司鋰離子電池的無人試驗小潛艇已于 1999年10月完成了水下試驗。

法國SAFT公司是世界著名的鋰電池生產(chǎn)公司，其各種型號鋰離子電池已廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、UUV（無人水下航行器）以及各類便攜式電子設(shè)備上。據(jù)美國能源雜志報道，上世紀末，SAFT英國分公司就曾與英軍合作研制過一款24 V，12 Ah容量的鋰電池。目前該公司生產(chǎn)的圓柱型單體鋰離子電池比能量達到143 Wh/kg，80%DOD的比功率為345 W/kg，為裝備潛艇而制造的鋰離子動力電池，單體容量為3000 Ah級。

德國瓦爾塔公司也在研制高能量密度型和高功率密度型電池。其高能密度型電池為方型，容量為60 Ah，比能量為115 Wh/kg，使用壽命達900 次（100%DOD）。

在上世紀末，美軍也在商品化的鋰離子電池基礎(chǔ)上展開了軍事化應(yīng)用。據(jù)美國能源雜志介紹，美國YARDNEY公司已為水下軍事裝備研制了三款鋰離子動力電池，包括：①水下無人作戰(zhàn)平臺（UUV）電池系統(tǒng)，總能量10 kWh，360塊單體容量8 Ah（4并90串），電壓324 V。②全電動魚雷高功率鋰離子電池系統(tǒng)，由100塊單體容量25 Ah的鋰動力電池組成電池組，最大功率密度650 W/kg。③袖珍潛艇裝置（ASDS-1）的高能量鋰離子電池系統(tǒng)，2005年首次安裝于ASDS-1艇，鋰離子電池總能量1.2 MWh，單體電池能量密度170～200 Wh/kg[1]。美軍在水下自動航行器（AUV）中已應(yīng)用鋰離子電池，其功率密度達到100 Wh/kg[2]。據(jù)美國能源雜志介紹，HUGIN1000型 AUV的電池系統(tǒng)為聚合物鋰離子電池與燃料電池組合而成[3]，該系統(tǒng)性能先進，HUGIN1000型AUV總航程已達500海里。

4 國內(nèi)鋰離子動力電池發(fā)展概況

我國鋰離子動力電池研制始于二十世紀，起步較晚。但自2000年以來，隨著我國投入十多億資金用于支持發(fā)展電動車和相關(guān)電池技術(shù)，以及“863”電動汽車重大專項的實施，有實力的國營、民營企業(yè)對鋰離子動力電池進行了開發(fā)研究，生產(chǎn)的鋰離子電池性能與國外產(chǎn)品相當(dāng)，某些方面甚至優(yōu)于國外產(chǎn)品，對外出口量不斷上升。目前我國鋰離子動力電池主要包括電動工具電池、電動自行車電池、特種車用電池和電動汽車用電池等，各種鋰離子動力電池均處于產(chǎn)業(yè)化起步階段。其中電動自行車用鋰離子電池和電動工具用鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)相對較好，電動汽車電池仍處于研發(fā)和配車路試階段[3]。比亞迪公司 2008年12月份推出的 F3DM 雙模式純電動車是該公司的代表產(chǎn)品，曾一度引起國內(nèi)外轟動，其搭載的鋰電池，輸出功率為125 kW，達到3.0升發(fā)動機功率水平，啟動瞬間加速能力超過 3.0升發(fā)動機水平，鋰電池續(xù)駛里程達100公里，它比豐田研制的同類產(chǎn)品早一年時間。該公司生產(chǎn)的 E6純電動轎車采用自行生產(chǎn)的磷酸鐵鋰電池，用 220 V民用電源15 min可充電80%，100 km能耗為20 kWh，現(xiàn)已上市。奇瑞的S18純電動汽車已經(jīng)下線。該車應(yīng)用40 Ah磷酸鐵鋰動力電池，可以在半小時內(nèi)充電80%。深圳雷天公司在其網(wǎng)頁上顯示的TS-LFP7000 AHC型鋰離子動力電池容量為7000 AH，為目前已知的單體容量最大的鋰離子動力電池，但其安全性未知。我國某型蛙人運載器采用100 Ah鋰離子動力電池。某型操雷應(yīng)用聚合物鋰離子動力電池，其單體電池容量為 45 Ah。

5 鋰離子動力電池發(fā)展趨勢

分析國內(nèi)外鋰離子動力電池發(fā)展現(xiàn)狀，呈現(xiàn)出以下發(fā)展趨勢：

⑴ 鋰離子動力電池容量已突破 500 Ah大關(guān)。國外報道的鋰離子動力電池單體容量多為幾十至200 Ah以下的電動汽車用電池，艇用大容量鋰離子動力電池鮮有相關(guān)報道。國內(nèi)單體容量已突破500 Ah，并通過了國家電動汽車安全性測試項目，性能良好。

⑵ 目前國內(nèi)外已商品化的鋰離子動力電池正極材料普遍采用磷酸鐵鋰，以提高鋰電池正極材料的穩(wěn)定性和安全性。國外在繼續(xù)研發(fā)現(xiàn)有材料的基礎(chǔ)上還重點研發(fā)磷酸釩鋰正極材料，對鈷酸鋰、錳酸鋰材料的改進性研究也從未間斷過。國內(nèi)電動汽車用鋰離子動力電池正極材料普遍采用了磷酸鐵鋰。而某些廠家為了兼顧鋰電池的能量比和安全性，采用三元材料作為鋰電池正極材料。錳酸鋰為正極材料的鋰動力電池電動客車也進行過路試，對其它正極材料的開發(fā)也在進行。例如，某公司正在探索采用稀土元素（釔等）作為鋰電池正極材料，現(xiàn)已有相關(guān)樣品投放市場試用。負極材料方面，國外在非碳類負極方面已有突破，鈦酸鋰為負極材料的實際應(yīng)用化研究是目前負極材料研究的熱點之一，其中日本已生產(chǎn)出用鈦酸鋰做電池負極材料的電動汽車，已投入路試，其充電時間僅為 5 min。國內(nèi)部分科研單位緊跟時代步伐，對合金負極、鈦酸鋰等非碳類負極的研究也在進行中，但尚未見相關(guān)樣品面世。

⑴ 更加重視鋰離子動力電池的安全性研究，甚至不惜犧牲部分重量比能來換取鋰電池安全性；鋰離子動力電池安全性測試試驗要求更加嚴酷?，F(xiàn)已在電池設(shè)計、正負極材料制備工藝、電解液及其添加劑改進、電池生產(chǎn)工藝和一體化電池保護電路等方面進行了深入研究，并將大量研究成果運用到了生產(chǎn)實際中。

6 啟示與展望

總之，鋰離子動力電池是當(dāng)今動力電池行業(yè)研究的熱點，是未來最有可能取代現(xiàn)有潛艇動力電池的理想電源。世界上許多國家都已在水中兵器和小型潛艇等裝置上試用鋰離子動力電池。隨著鋰離子動力電池使用經(jīng)驗的逐漸積累與生產(chǎn)制造技術(shù)的不斷成熟，可以預(yù)見，鋰離子動力電池應(yīng)用于潛艇是必然趨勢。我國的鋰離子動力電池發(fā)展水平與國外基本相當(dāng)，具有在潛艇上應(yīng)用大容量鋰離子動力電池的基礎(chǔ)條件。我國只有加快研制步伐，才能緊跟時代潮流，確保我國裝備性能的先進性，在當(dāng)今高技術(shù)條件下的局部戰(zhàn)爭中處于有利地位。

[1] R. Gitzendanner , F. Puglia , C. Martin , D. Carmen, E.Jones, S. Eaves. High power and high energy lithium-ion batteries for under-water applications[J].Journal of Power Sources136 （2004） 416-418.

[2] Richard A. Wilson , James W. Bales. Development and experience of a practical, pressure-Tolerant, lithium battery for underwater use[J]. Oceans 2006, Sept. 2006:P 1-5.

[3] ?istein Hasvold , Nils J. St?rkersen, Sissel Forseth,Torleif Lian. Power sources for autonomous underwater vehicles[J]. Journal of Power Sources,162 （2006） 935-942.