專題
[摘要]近日，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，聯(lián)合中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，研制出可承受全海深壓力的高比能可充電鋰電池組，并完成了海試驗證。
隨著深海探測能力的不斷提升，對新一代深海電池的要求也愈加嚴苛：需要在極端高壓、有限載重的條件下攜帶更大電量。
近日，中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所，聯(lián)合中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所，研制出可承受全海深壓力的高比能可充電鋰電池組，并完成了海試驗證。
01
每平方厘米
承受一噸以上壓力
海水中的鹽分和其他化學(xué)物質(zhì)會腐蝕電池極耳，導(dǎo)致電芯失效甚至爆炸。因此，深海電源中的鋰電池需要放置在玻璃球或者金屬箱體等密閉容器內(nèi)，以隔絕海水。
在陽光無法觸及的一萬米深海，每平方厘米大概會產(chǎn)生一噸的壓力，這對電源的容器外殼和密封結(jié)構(gòu)提出了極高的要求。
深海電池系統(tǒng)一般采用充油式方案，以兼顧外殼重量和保持箱體內(nèi)外壓力的平衡。
隨著深海探測裝置的下潛和上浮，動態(tài)變化的壓力也給電芯本體、電子元器件、電池管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)帶來了較大的挑戰(zhàn)。
▲自承壓充油式深海電源系統(tǒng)
深海電池的能量密度，對深海探測裝置的作業(yè)能力起到?jīng)Q定性作用。能量密度的提升，能大幅延長作業(yè)時間、擴大作業(yè)半徑。
隨著電池行業(yè)的發(fā)展，深海電池的能量密度也在不斷提升：從25Wh/kg鉛酸電池、55Wh/kg銀鋅電池，到120Wh/kg磷酸鐵鋰電池，以及近幾年的280Wh/kg硅碳電池。
然而，鋰電池能量密度的提升并非一蹴而就，需要在材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等多方面進行綜合優(yōu)化，同時兼顧成本和安全性。
02
能量密度
突破400Wh/kg
科研團隊攻克了高比能鋰離子電芯本體技術(shù)，通過對關(guān)鍵電極材料進行改性、優(yōu)化電解液調(diào)配、改進制造工藝等，實現(xiàn)了電芯能量密度達400Wh/kg以上的技術(shù)跨越，大幅提升了電池的能量存儲能力。
通過篩選高耐壓電子元器件并改進集成工藝、優(yōu)化電池管理系統(tǒng)架構(gòu)，科研團隊構(gòu)建了滿足深海復(fù)雜工況使用的智能能量管理網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了對110V深海電源系統(tǒng)中電池狀態(tài)的實時監(jiān)控和智能調(diào)節(jié)，可依據(jù)電池的實時狀態(tài)作出精確響應(yīng)，確保電池在深海復(fù)雜多變的工況下穩(wěn)定、高效、安全運行。
科研團隊解決了充油壓力補償式電池系統(tǒng)在121MPa深海極端壓力環(huán)境下的技術(shù)挑戰(zhàn)，成功實現(xiàn)了高比能鋰電池在深海環(huán)境中的穩(wěn)定運行。
該高比能深海充油自承壓式鋰離子電池組，在南海海域成功完成多次深海試驗驗證，水下累計工作時間超過100小時。
▲深海電源系統(tǒng)海試。圖片來源：中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所
該技術(shù)體系實現(xiàn)了深海裝備能源系統(tǒng)在輕量化（較相同規(guī)格下的傳統(tǒng)電源方案減重約40%）、高可靠性、長續(xù)航能力（單次下潛作業(yè)周期延長50%）等核心指標上的突破。
這標志著我國成為全球首個將400Wh/kg級高比能可充電鋰電池應(yīng)用于深海裝備的國家，為深海探測裝備提供了變革性的輕量化能源解決方案，有效解決了深海高壓環(huán)境下的能源供給難題，為我國深海資源開發(fā)、海洋科學(xué)研究及國防安全等戰(zhàn)略領(lǐng)域提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
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