0 引　言

随着深海探索、开发的不断推进，深海载人潜水器这种唯一可以搭载人类下潜至深海的特殊海洋装备得到了迅猛发展^[1]。近年来，不断有新型号深海载人潜水器被研制出来或原型号深海载人潜水器完成大修升级，如我国刚刚完成首次应用科考的“奋斗者”号，以及完成大修升级的“蛟龙”号和美国的Alvin号。深海载人潜水器正因为需要搭载人类进行下潜，因此在设计时需要充分考虑到紧急状态下的安全应急措施，应急电池就是其中一种重要的应急装置。锂一次电池具有能量密度高、自放电率低、安全性高等特点^[2]，在深海载人潜水器中作为应急电池使用尚属首次。本文将从锂一次电池的安全性、电性能等指标的适用性方面，分析、确定其是否可以满足全海深载人潜水器应急电池的需求。

1 锂一次电池介绍

所谓锂一次电池，即不可充电的锂电池，包括锂-二氧化锰电池、锂-二氧化硫电池、锂-亚硫酰氯电池、锂氟化碳电池以及锂氟化碳-二氧化锰电池等体系。锂一次电池主要由正极、金属锂负极、隔膜和电解液组成，放电过程中，负极金属锂失电子，不断溶解消耗，锂离子嵌入到正极活性物质中，电池不断向外释放电能。

如得到广泛应用的锂-二氧化锰电池，由日本三洋公司于1975年研制成功^[3]，首先应用在计算器等消费类电子产品中。其反应式如下：

负极反应：Li→Li⁺+e⁻，

正极反应：MnO₂+Li⁺+e⁻→MnO₂(Li⁺)，

总反应：Li+MnO₂→LiMnO₂。

2 全海深载人潜水器应急电池需求

载人潜水器应急电池的额定电压为DC 24V，主要作用是在应急状态下，为应急照明灯、生命支持系统、水声电话和应急抛弃装置等应急系统提供一定时长的电力供应，载人潜水器应急供电回路如图1所示。

全海深载人潜水器是我国研发的最新一型深海载人潜水器，相比于前两型载人潜水器“蛟龙”号和“深海勇士”号，全海深载人潜水器下潜深度达到了11000 m，正常作业时长为12 h，应急工作时间为72 h，但由于全海深载人球尺寸变小，对应急电池等舱内设备的尺寸和重量都提出了更高的要求，表1为我国三型载人潜水器和美国Alvin号载人舱内径、乘员人数及工作时间等参数的对比表^[4]。

应急电池安装在载人舱内，载人舱是一个空间狭小且密闭的舱室，应急电池与潜航员距离较近，一旦发生起火甚至爆炸，后果将不堪设想，因此这需要应急电池具有相当高的安全性，避免发生类似俄罗斯核动力深潜器内部火灾的事故^[5]。

由于全海深载人潜水器下潜深度达到11000 m，水声通信的发射功率将有大幅度提高。在应急情况下，水声电话的供电由应急电池提供，这对应急电池的瞬间输出功率同样提出了很高的要求。

此外，根据载人潜水器使用特点，应急电池需要长时间静置，因此也需要较低的自放电率，避免长期贮存后，应急电池因自放电而造成容量大量损失。

3 全海深载人潜水器应急电池体系选择与电池组设计 3.1 应急电池体系选择

通过对全海深载人潜水器应急电池需求的详细分析，发现对应急电池的要求可以总结为以下几点：1）高安全性，保证潜航员的安全；2）高能量密度，重量和体积尽可能小；3）高瞬时输出功率，满足大功率声学设备的瞬间发射功率需求；4）低自放电率，可以长时间存放。

针对以上4点要求，对现有各类体系电池性能进行了综合对比、分析，如表2所示。

通过对比发现，以锂-二氧化锰电池、锂-氟化碳电池和锂氟化碳-二氧化锰电池等为代表的锂一次电池，在能量密度和自放电率等指标上较其他体系电池有明显优势，非常适合用于制造长时间存贮的的高能量密度电源，但在安全性和输出功率等指标的适用性上，需要进一步进行试验验证。

锂-二氧化锰电池的能量密度一般，但其倍率性能较好^[6]。锂-氟化碳电池是以金属锂作为负极、氟化碳为正极的锂一次电池，是目前比能量最高的固体正极一次电池。由于氟化碳材料导电性差，锂氟化碳电池放电倍率较低，在放电过程中发热量大^[7-11]，易发生热失控。因此，将氟化碳和二氧化锰制成复合材料，研制出锂氟化碳-二氧化锰电池，兼具了锂-氟化碳电池的高能量密度和锂-二氧化锰电池的放电倍率性能^[12-15]，是理想的载人潜水器用应急电池类型，3种体系的锂一次电池综合对比如图2所示。

应急电池体系的选择应兼顾能量密度、功率密度、安全性、环境适应性以及工程化等方面的要求，综合以上分析，全海深载人潜水器应急电池拟选用软包装锂氟化碳-二氧化锰电池进行进一步设计、试验和分析。

3.2 应急电池电气及结构设计

根据全海深载人潜水器应急电池的总体性能要求和电力负荷计算结果，对应急电池进行相应的容量设计和串并联设计。

由于锂一次电池无法充电，如应急电池直接接入潜水器24 V母线，当母线电压高于应急电池电压时，应急电池将会被充电，从而引发危险。因此，应急电池在设计时，在输出回路中，必须加入防反充二极管进行保护。此外，应急电池在潜水器其他24 V仪表蓄电池组全部失效的情况下，担负着保障潜水器生命支持系统和支持应急处置措施的重任，其可靠性需求很高，需要设计应急旁路回路。全海深载人潜水器应急电池电路设计如图3所示。

为满足应急电池的重量指标，在其结构设计过程中采用了轻量化设计。应急电池外壳使用铝合金材质，并经过硬质阳极氧化处理。为实现应急电池在载人舱内紧凑安装的要求，对应急电池外形进行了紧凑、异形设计。

4 适用性试验与分析

从能量密度、自放电率等指标来看，锂氟化碳-二氧化锰非常适合应用在对能量密度和自放电率要求较高的储备电源上。但其是否适合应用在载人潜水器中，作为舱内应急电池，为载人潜水器和潜航员提供紧急情况下的应急供电，还需要从安全性和电性能等方面进行充分试验和综合分析。

4.1 安全性试验与分析

对于深海载人潜水器而言，电池的安全性能无疑是第一位的。氟化碳材料是一种兼具电化学活性和热力学稳定性的材料，400℃温度下也不会分解，作为正极材料，其安全性能优于其他锂一次电池体系^[16-17]。

虽然锂氟化碳-二氧化锰电池从原理上来说是安全的，但是仍需要通过一系列实验对其安全性进行测试和评估。主要参照GJB 2374A-2013《锂电池安全要求》^[18]中有关锂原电池的安全性测试要求，对该型号的单体电池及其电池模块进行安全性测试，表3为该锂氟化碳-二氧化锰电池进行的一系列安全性试验项目及试验结果。

通过表3中试验结果可以判断，该型号锂氟化碳-二氧化锰电池的安全性符合GJB 2374A-2013《锂电池安全要求》中有关锂原电池的安全性要求，满足全海深载人潜水器应急电池的安全性指标。

4.2 电性能试验与分析

当载人潜水器外部正常供电仪表电池全部失效时，载人舱内应急电池将作为最后一道能源供给装置，为应急照明灯、水声电话、生命支持等应急设备提供电能。其中，水声电话用于潜航员在紧急情况下定时向母船汇报当前潜水器和人员状况，是应急情况下唯一的通信手段。水声电话在发射瞬间功率需求较大，对应急电池的大功率瞬时放电性能要求较高。通过对载人潜水器应急工况下设备使用方式的梳理和电力负荷的计算，制定了应急电池的脉冲式输出功率需求曲线。应急电池正常放电电流为5.2 s，平均每隔80 s进行一次脉冲式25A放电，持续1 s，如图4所示。

应急电池组采用2并成组方式，因此单体电池放电性能测试按图4曲线规定的一半电流值执行，即正常放电2.6 A，脉冲放电12.5 A，放电截止电压为2.0 V，测试该型号单体电池是否可以满足放电性能要求，单体电池脉冲放电测试曲线如图5所示。

单体电池脉冲放电前60 min测试曲线如图6所示。

分析测试数据可知，当截止电压为2.0V时，总放电时间为891 min，共进行了660个脉冲周期，总放电容量为40.01Ah；脉冲放电过程中，单体电池安全性正常。由放电性能测试结果可以判断，该型号锂氟化碳-二氧化锰单体电池的脉冲放电性能可以满足水声电话发射时的大功率用电需求，放电时间和容量也满足应急电池指标要求。

4.3 适用性判定

通过对锂氟化碳-二氧化锰电池安全性和电性能的试验和适用性分析，可以判定该材料体系锂一次电池在安全性、能量密度、放电性能、自放电率和放电容量等指标上，满足全海深载人潜水器应急电池的指标要求，可以用于全海深载人潜水器应急电池。

5 锂一次应急电池应用情况

全海深载人潜水器锂一次应急电池相较于其他载人潜水器所使用的铅酸应急电池，在能量密度和自放电率等指标上，均有大幅度的提升。应急电池能量密度的提高，大大减少了其重量和尺寸，有助于载人舱内舾装布局的优化和总体性能的提高。而自放电率的大幅降低，可以使应急电池实现全寿命周期内的免维护。全海深载人潜水器锂一次应急电池与其他载人潜水器指标对比，如表4所示。

对“奋斗者”号全海深载人潜水器80余次下潜数据进行整理、分析，统计了同一组锂一次应急电池的开路电压值，如图7所示。

该组锂一次应急电池贮存期约1年，使用时间约1年半，经历了80余次下潜。贮存和使用期间，应急电池未发生任何安全事故，状态良好，展现了其良好的安全性。由图7可知，该电池历经约2年半的贮存和使用后，仍保持着较高的开路电压，充分展现了锂一次电池自放电率低的优势。在模拟应急工况试验中，该应急电池的输出功率可以支撑水声电话等大功率声学设备的正常使用，验证了其瞬时大功率输出性能可以满足应急工况下的电力负荷需求。

6 结　语

通过试验和分析，锂氟化碳-二氧化锰体系的锂一次电池在安全性、能量密度、输出功率和自放电率等指标上，可以满足全海深载人潜水器应急电池的指标要求。通过80余次的下潜使用，充分验证了锂一次应急电池的安全性和适用性。这也是锂一次电池，首次在深海载人潜水器中得到成功应用。同时，也为其他载人装备应急电源的研制提供了一种新的思路。