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从铅酸电池转向锂离子电池,可能会给中国的潜艇综合性能带来巨大的提升 - z! A" ~: E9 ~! {
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01中国动力计划：旨在用锂离子电池升级潜艇能源设备 . _# ]/ m2 l! v
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中国计划用锂离子电池升级常规潜艇，这一举措可以显著提高舰队的作战和生存能力。
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本月，《南华早报》报道称，由于国内电动汽车(EV)产业的技术发展支持，我们的常规潜艇舰队可能很快就会由锂离子电池提供动力。目前，中国的电动汽车产业是世界上最具规模化的。 ; z/ P0 [) ]# T
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报告指出，中国制造了全球四分之三的电动汽车电池，使其在电池技术方面处于领先优势。
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$ Z) r) V' n ~9 D2 M. C: ]0 F! R" C 青岛海军潜艇学院的研究人员在同行评阅的中国《船舶电气与电子工程》杂志上引用的研究结果显示，锂离子电池可以将潜艇的水下续航能力提高一倍以上，并极大地提高其高速运行时的加速度。
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; U S5 P( ]+ e3 E 《南华早报》指出，十多年来，我国的潜艇研发领域一直在尝试用锂离子电池取代传统的铅酸电池，但因为其的潜在危险性而无法最终实施。而如今，比亚迪、宁德时代等新一代安全可靠的电池的广泛应用，为这一方向提供了可能性。 w* ]" [! V% B. j$ @
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' W" Y/ v/ h, o- | 自第二次世界大战以来，铅酸电池就一直被用于潜艇上。但它们存在储能能力低、充电速度慢、功率输出弱、寿命短、产生有毒烟雾等问题。相比之下，锂离子电池具有卓越的能量密度、更快的充电速度、更高的放电速度和更长的电池寿命。
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, q' G% P. z- {3 D 然而，GlobalData专题研究指出，锂离子电池存在热失控和火灾风险，这在潜艇中尤其突出。报告称，一个电池过热可能导致整个电池组出现热失控故障的连锁反应，导致灾难性的火灾。
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中国是电动汽车电池生产的世界领导者。
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7 S( w% d0 Q3 d" s. g 锂电池技术的安全解决方案——源自中国电动汽车行业的蓬勃发展，目前所已有的技术手段，完全可以排除一些早期的风险。在解决了这些问题之后，传统潜艇用锂电池替换铅酸电池指日可待。 ) F% a( @$ P# Y3 c* ]
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/ W& d. i" G/ X( }! v9 X2 Y 中科院研究团队表示，使用低成本、易得的铁和磷酸盐可以取代锂离子电池中常见但危险的镍和钴组合，在不影响性能的情况下提高安全性。 |; j8 {* c; X- `! h
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据行业数据显示，中国市场上使用磷酸铁电池技术的电动汽车数量，已经超过了使用镍钴电池的电动汽车。 ! }! a6 p1 S1 P0 K4 ?/ E9 G; n5 E
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该研究团队在潜艇锂离子电池的其他安全创新领域都有所尝试，包括电池包装的硬碳和陶瓷涂层，这可以提高它们在潜艇上的安全性。 ) l1 [5 `, c* f. [
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$ N9 x+ @2 T) D \. C 这一发展可能也得益于中国的科研跨领域融合战略，该战略消除了民用研究、商业实体以及工业部门之间过去的障碍。该战略旨在利用锂离子电池等民用和军用技术的双重融合。 * h% S$ J+ w/ t0 C( z$ m7 Z. o+ H- c
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02全球各国在潜艇锂电转化应用，做了哪些尝试？
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0 S0 L% L C) d; S6 C- W 近年来，日本和韩国也考虑在潜艇中使用锂电池技术，前者在2018年，后者在2021年使用。然而，日本在其锂离子电池中使用金属锰，虽然提高了安全性，但这是以牺牲性能为代价。相比之下，韩国使用镍和钴，反而仍具有更多的安全特性。 + W& x8 ]& _7 f4 e' U% P
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与此同时，德国和法国也开发了潜艇锂离子电池的原型，并计划在未来服役。 ) |4 A/ ?! O5 S! Y
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0 L9 `2 R0 q* p6 P; _' r 锂电池比空气独立推进系统(AIP)相比有很多优势，例如斯特林发动机和封闭循环蒸汽涡轮机。海军可以将其与氢燃料电池配对，以抵消前者的局限性。 ( l. T/ G. [5 k: v0 x* B
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" ~! G7 G. A0 y 泰勒·罗戈韦（Tyler Rogoway）在《战区》2020年的一篇文章中指出，像瑞典哥特兰级这样的斯特林AIP潜艇必须携带液氧，这会带来固有的危险，占用大量的内部空间，并且包括许多需要额外隔音的活动部件。斯特林发动机还受到其低功率输出的限制，这可能会限制其在近程行动中使用。 - b& d" O7 M' l$ V
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同样，罗戈韦指出，封闭循环蒸汽轮机，如法国自主潜艇能源模块（MESMA），与斯特林发动机有相同的局限性，因为它需要船上的乙醇和液氧供应。
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此外，虽然MESMA系统可以为高速运行提供充足的电力，但它有许多移动部件，同样需要昂贵的隔音材料。 \6 X. I! V0 k9 V a- w
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2 Z) I; P! K2 `$ k* `+ Z 虽然燃料电池是一种高科技的AIP解决方案，但其主要缺点来自于储存氢燃料的各种方式。这些缺点包括重量密度差、氧气需求量高、二氧化碳和其他排放物以及未经证实的技术。
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同时，虽然燃料电池是一种高科技AIP解决方案，但它无法像MESMA系统那样快速提升功率水平。 * i; l( g0 }/ j1 S2 f" ~8 A4 y
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在潜艇中，将锂电池与燃料电池配对可以提供极佳的续航能力、难以置信的安静运行、快速加速和高冲刺速度，但成本和复杂性仍然是一个重大问题。 7 l# Q5 j& t! w( N# D' s) ~
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03与核动力潜艇相比，锂电池潜艇有什么优势？ & y1 X! K3 Z. ?0 W0 J8 \
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锂电池潜艇的另一个优势是比核动力潜艇更为安静。尽管核潜艇在理论上具有无限的航程和续航能力，但它们的核反应堆会产生可监测的热量辐射，因此必须保持冷却泵一直运转，从而可能产生可检测到的噪音。
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6 S7 R" ~' k4 n) q1 z- k 此外，核潜艇在其尾流中释放出微小的辐射痕迹，可以通过专门的尾流跟踪传感器（如苏联/俄罗斯的SOKS系统）检测到。 / r; ^9 ^% e5 h+ c; p7 e1 d
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锂电池的技术优势可以转化为动力性能优势。阿南德·达特拉（Anand Datla）和保罗·贾拉（Paul Giarra）在2021年10月的一篇学报文章中指出，锂电池潜艇具有更快的排水时间相当于更快的潜水时间和更快的潜水速度。 7 C2 ?9 V, T5 z
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+ `4 i, I7 p8 C( s 与此同时，锂电池的快速充电具有相当大的动力性能意义，这对于岛链之间的水下行动是一项很大的优势。
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( J9 Q" m/ a4 r, |& M; O3 `6 S' U6 b! U
0 \: b l$ S. }% y) w# { g 目前可知，常规潜艇的锂电池技术升级将大大提高其机动执行能力。这也为升级了其在巡逻的隐蔽能力，这一成功同时也会反哺到如今国内电动汽车锂电池技术的进一步发展。 % H$ H) Q2 f. {$ K
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撰写：GolevkaTech
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