作为新一代可充电电源,锂电池具有能量密度大、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、安全性能高等优点,是当前充电电池的主流发展方向。它还具有低维护需求和无记忆效应等特点,在中可随时充放电,且几乎不需任何战场维护,减少后勤负担,因此受到各国军队的重视和发展。近年来,锂电池被广泛用于系统、、无人机、空天飞行器等装备,在陆、海、空、天领域展示出广阔的应用前景。
优势不可替代
锂电池是继镍氢等传统蓄电池之后的新一代可充电电池,由日本索尼公司于1990年最先研发成功。锂电池工作原理简单,具有较好的安全性和较长的充放电寿命,被认为是新型动力源的首选。
锂电池在应用中具有以下优点。工作电压高。一节锂电池的放电电压相当于3节传统蓄电池,同等使用条件下,大大减少电池使用量。能量密度高。是普通蓄电池的2至3倍,加上体积小、重量轻,用于野战便携式电子设备有不可替代的优势。循环使用寿命长。使用寿命长达10至15年,和传统蓄电池7至8年相比,降低了造价高昂带来的影响。无环境污染。不含铅、汞等重金属,是一种洁净的"绿色"能源。无记忆效应。可随意充放电,尤其在战时和紧急情况下显示出优异的使用性能。低维护率。几乎不要任何维护,减少战时后勤负担。此外,还有安全性能高、工作温度范围宽等优点。
近年来,各国将锂电池作为替代传统蓄电池的新型电池大力发展,新型锂电池具备诸多特色,在便携式电子设备应用方面展现出不可替代的优势。
趋于可弯曲轻量化。随着小型化、便携式、可穿戴电子装备日益增多,要求和之适配的电源具有重量轻、体积小、比能量高、可任意形变等特点,锂电池凭借优异性能成为上述电子设备的首选电源。2013年,美军研发出一款可拉伸的锂电池,能内置手表腕带中,为智能手表等装置供电。日本新推出一种柔性超薄锂电池,在弯曲折叠后依然保持稳定的电量输出。该电池的另一个技术亮点是采用无线充电技术,使可穿戴设备无需专门设计电池安装区域。
能量密度持续提高。促进锂电池发展的一大因素是新兴电池材料的应用。近年来,随着多种新型电极材料被应用,大大提升锂电池的能量密度、循环使用寿命和稳定性等关键性能。另外,锂电池的制造工艺也取得多项技术突破。日本新型耐高温全固态锂电池,在150℃的高温环境中仍具备良好的导电性能,此项技术扩大锂电池的应用范围。美国采用喷涂工艺可大面积制造锂电池,几乎可以在所有物体表面形成电池,可进一步提高战场能源的保障能力。
安全性能取得技术突破。高安全性是装备对锂电池的刚性要求,保证电池在受到高强度打击和冲击时绝对安全,重要通过使用高安全材料和优化电池结构实现。2017年一月,美国斯坦福大学研发出一种含有阻燃剂的微型"智能"纤维,插在电池的电极之间,可阻止电池短路起火。在测试中,当锂电池温度达到160℃以上时,阻燃剂会被释放到电解质中,确保电池安全。
未来装备的主选
锂电池作为动力源,近年来被广泛应用在电子设备、、、无人机中,展现出良好的使用性能,逐渐成为装备的重要能源。
系统的首选电源。锂电池作为目前性能最好的蓄电池,不仅能为战场上的电子设备供应持久稳定电源,还可大大减轻负重,增强的灵活性和机动性,成为未来装备的首选电源。美陆军开发的"士兵适形电池",就是一种可穿戴的锂离子聚合物电池,外形轻薄,排列放置在士兵穿着的防弹板上,减轻士兵承重。英国部将锂电池作为系统补给能源,研制的袋状锂电池具有超高比能量。此外,当前世界各国军队研发的未来士兵系统大多采用锂电池作为动力源,如美国"陆地勇士"系统和德国"未来士兵"系统都使用锂电池。
海上装备的"能源新宠"。锂电池用作的动力源,可极大提高航速、续航里程、生存能力,降低维护成本。近年来,多国海军将锂电池应用于微型,同时开发适用于中远程的锂电池。例如,法军天蝎级装备新一代锂电池,能够承受大电流充电,使充电时间大幅缩短,水下续航时间翻倍。
锂电池用于,可大幅降低动力部分的体积和重量,并能在训练中反复使用,满足训练需求。目前,法国海军已成功开发锂电池,运行速度超过50节(92.5千米/小时),续航时间超过1小时,可靠性和安全性均满足性能要求。此外,外军还探索将锂电池用作水面舰艇的电力系统。
空天飞行器的"第三代电源"。锂电池被称为第三代航天电源,近年来逐步应用于各类航天设备。例如,新式锂电池已经用作国际太空站电源。在领域,锂电池重要应用于小型、微型无人机。美军在阿富汗战争中投入使用的"龙眼"无人,采用锂电池作为动力源,已在中得到检验。不过总体看,锂电池在这一领域的应用仍处于起步阶段,重要制约因素是小型化不足、动力不够等。
大型装备的动力源不足。在地面装备中,锂电池重要应用于无人地面车辆、机器人、混合电动战车等。对使用油电混合驱动的地面战车来说,采用锂电池作为动力源不仅可以降低油耗,减少后勤负担,还可以提高战术车辆的机动力和生存能力。目前,外军积极为混合电驱动战车、无人地面车辆、地面机器人研发锂电池模块。不过,对大型地面装备来说,锂电池功率偏弱是制约其进一步应用的重要因素。因此,未来还要继续研发高比功率、低成本的锂电池,满足地面装备的任务需求。