走进锂电潜艇的前世今生

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  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。

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  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。

世界第一艘以锂离子电池作为动力的潜艇“凰龙”号

  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。”

水下作战又有了新动力系统

  蓄电池性能制约催生了AIP潜艇

走进锂电潜艇的前世今生

  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。

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。

  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。

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。

  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?

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。”

  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。

蓄电池性能制约催生了AIP潜艇

  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。

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。

  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。”

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。

  铅酸电池必将被新式电池取代

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?

  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。

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。

  “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。

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。

  “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。

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。

铅酸电池必将被新式电池取代

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