锂离子电池 未来战场的新型动力源
作为新一代可充电电源,锂离子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,在作战中可随时充放电,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,锂离子电池被广泛用于单兵作战系统、潜艇、无人机、空天飞行器等军事装备,在陆、海、空、天领域展示出广阔的应用前景。
优势不可替代
锂离子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。锂离子电池工作原理简单,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。
锂离子电池在军事应用中具有以下优点。工作电压高。一节锂离子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,与传统蓄电池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。几乎不需要任何维护,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,各国将锂离子电池作为替代传统蓄电池的新型电池大力发展,新型锂离子电池具备诸多特色,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,要求与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,锂离子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离子电池,能内置手表腕带中,为单兵智能手表等装置供电。日本新推出一种柔性超薄锂离子电池,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。促进锂离子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,大大提升锂离子电池的能量密度、循环使用寿命和稳定性等关键性能。另外,锂离子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离子电池,在150℃的高温环境中仍具备良好的导电性能,此项技术扩大锂离子电池的应用范围。美国采用喷涂工艺可大面积制造锂离子电池,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。高安全性是军事装备对锂离子电池的刚性要求,保证电池在受到高强度打击和冲击时绝对安全,主要通过使用高安全材料和优化电池结构实现。2017年1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,当锂离子电池温度达到160℃以上时,阻燃剂会被释放到电解质中,确保电池安全。
未来军事装备的主选
锂离子电池作为动力源,近年来被广泛应用在单兵电子设备、潜艇、鱼雷、无人机中,展现出良好的使用性能,逐渐成为军事装备的重要能源。
单兵作战系统的首选电源。锂离子电池作为目前性能最好的蓄电池,不仅能为战场上的单兵电子设备提供持久稳定电源,还可大大减轻单兵负重,增强单兵作战的灵活性和机动性,成为未来单兵装备的首选电源。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。英国国防部将锂离子电池作为单兵作战系统补给能源,研制的袋状锂离子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作战系统大多采用锂离子电池作为动力源,如美国“陆地勇士”单兵作战系统和德国“未来士兵”系统都使用锂离子电池。
海上装备的“能源新宠”。锂离子电池用作潜艇的动力源,可极大提高潜艇航速、续航里程、生存能力,降低潜艇维护成本。近年来,多国海军将锂离子电池应用于微型潜艇,同时开发适用于中远程潜艇的锂离子电池。例如,法军天蝎级潜艇装备新一代锂离子电池,能够承受大电流充电,使潜艇充电时间大幅缩短,水下续航时间翻倍。
锂离子电池用于鱼雷,可大幅降低鱼雷动力部分的体积和重量,并能在训练中反复使用,满足部队训练需求。目前,法国海军已成功开发锂离子电池鱼雷,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作战性能要求。此外,外军还探索将锂离子电池用作水面舰艇的电力系统。
空天飞行器的“第三代电源”。锂离子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,新式锂离子电池已经用作国际太空站电源。在军事航空领域,锂离子电池主要应用于小型、微型无人机。美军在阿富汗战争中投入使用的“龙眼”无人侦察机,采用锂离子电池作为动力源,已在作战中得到检验。不过总体看,锂离子电池在这一领域的应用仍处于起步阶段,主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,锂离子电池主要应用于军用无人地面车辆、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,采用锂离子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、地面机器人研发锂离子电池模块。不过,对大型地面装备来说,锂离子电池功率偏弱是制约其进一步应用的主要因素。因此,未来还需要继续研发高比功率、低成本的锂离子电池,满足地面装备的任务需求。 (李娅菲罗少锋)
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