0 引　言

海洋孕育了生命，连接了世界，是人类社会生存与发展的重要资源。潜航器是探索与研究海洋的重要技术装备。目前，潜航器已广泛应用于海洋科学研究、资源勘探、环境监测、军事侦察等领域^{[1 - 2]}，并根据任务需求与动力系统的不同，可分为自主潜航器、遥控潜航器以及结合二者优势如自带能源、光纤微缆实现数据实时传输的自主遥控潜航器。此外，水下滑翔机等新型平台也在逐步发展^[3]。由此可见，潜航器是国家经济建设以及军事领域的重要角色^{[4 − 6]}。

潜航器的工作能力在很大程度上依赖于电源系统的性能。因其特殊的工作环境，电池是唯一的动力源。因此高效、安全、稳定的电源技术是提升潜航器续航能力、作业深度、任务效率的关键^{[7 − 9]}。早期水下设备多采用铅酸和锌银电池。铅酸电池技术成熟、维护方便，但能量密度低、寿命短；锌银电池能量密度高、适应性强，常用于鱼雷等装备，但成本高、循环寿命有限^[8]。20世纪90年代锂离子电池问世后，凭借高比能、轻量化、长寿命和环保等优势^[10]，一跃成为在水下设备应用最为广泛的电池系统之一^{[11 - 12]}，表1为锂离子电池与其他电池的性能对比，可知，锂离子电池有着明显优势。

但复杂海洋环境中，电池面临低温和密闭等极端挑战^[13]。低温会导致离子扩散减慢、电解液黏度增大，从而引起容量衰减和功率下降；密闭环境下若散热不足，则可能造成热量积聚、加速老化甚至热失控^[14-15]。因此，深海应用需从系统层面加强热管理与低温适应性设计，以确保电池安全稳定运行。

本文综述了锂离子电池在潜航器中的应用以及热管理安全，其阐述了其国内外应用以及针对高温与低温的热管理和对未来的展望。通过研究锂离子电池的热管理技术，可以为潜航器的安全性和续航能力提升提供理论指导和技术支持。

1 锂离子电池潜航器应用

近年来锂离子电池毫无疑问是潜航器电源系统的主流选择，在自动化程度高、续航要求严苛的自主水下航行器（AUV）中，锂离子电池的应用已趋于成熟。国际领先企业如美国Hydroid公司、德国SubCtech公司，及国内的西北工业大学、702研究所等高校和各个研究机构，均在该领域进行了深入探索与技术布局。

1.1 锂离子电池国外应用

相较而言，国外在水下设备锂离子电池的研发与应用方面起步较早，发展较为迅速，尤其是在深海作业与军用平台上的实用化程度已较高。早在1999年，法国SAFT公司便启动了潜艇专用锂离子电池的研制计划，尝试用高能量密度电源替代传统铅酸系统。2003年完成潜艇用锂离子动力电池可行性研究，至2004年冬，该公司完成了锂离子动力电池在潜艇中的首次海上试验，并计划于2007年交付首艘搭载锂离子动力电池的潜艇，其系统模组比能量达到75 Wh/kg。

相比铅酸和锌银电池，锂离子电池具有更高能量密度、更长寿命和更高充放电效率，可显著提升潜艇续航能力与隐蔽性。其快速充电特性还能缩短补能时间、提高作战效能，因此逐渐从潜艇应用扩展至各类水下航行器和海洋装备。为了更直观地梳理锂离子电池在国外水下机器人中的发展历程，本文将其关键应用按时间线进行总结，如表2所示。

在上述典型水下装备的应用案例中，“泰利斯曼”号的出现，首次展现了锂电池在延长任务续航方面的优势，热管理技术在长时间高功率放电中尤为重要，蓝鳍金枪鱼号等深潜装备往往利用油冷或内嵌冷板来平衡电芯温度，避免局部过热造成容量衰减或安全风险。同时，智能电池管理系统的引入显著提高了安全性和可控性，如近年欧洲推出的智能化锂离子电池系统，能够对电压、电流、温度等关键参数实时监控，并具备预警与均衡功能。柔性锂离子电池的出现则为电源模块在狭小空间的布局带来新可能性，体现出电池在结构适配性与轻量化方面的拓展^{[16 − 18]}。2024年美国 Iver4 900 AUV 通过海军认证的电池组更展示了PPR安全特性，既能适应鱼雷管发射的极端工况，又保证了循环寿命与安全性。综上所述，水下装备锂离子电池的发展依赖于耐压、热管理、安全防护和结构创新等多维度技术的融合，这些技术的成熟推动了深海探测和水下作业的快速进步。

1.2 锂离子电池国内应用

国内水下设备锂离子电池的研制与应用相较于国外起步稍晚，但凭借强大的产业链和政策支持，发展速度极快。

中国科学院青岛能源所研制的“青能Ⅰ号”固态锂离子电池系统采用固态电解质，避免液态电解液在高压下泄漏或分解问题，实现了在极端高压、低温条件下的安全稳定运行。2020年，西北工业大学研制出可在5000 m水深环境稳定运行的柔性锂离子电池，采用有机电极与一体化封装技术，在10C倍率下仍能稳定放电。

中船702所^[19]基于模块化和双冗余设计出由21700单体电池组成的多模块锂离子电池系统，试验结果表明其能量密度高达200 Wh/kg，具有高可靠性。“蛟龙号”最新由锌银电池替换为充油式锂离子电池，其提高工作效能，降低费效比。近年来我国在深海锂离子电池技术领域取得了显著进展，涵盖了材料体系创新、结构封装优化、智能化管理系统集成以及多类型深海平台的实际应用等多个方面。

1.3 小　结

锂离子电池已广泛应用于各类水下设备。国外技术起步早、体系成熟，在深海潜航器和军用平台上多次升级；国内虽起步较晚，但发展迅速，自主研发能力显著提升，相关装备已具备深潜和工程化应用能力。针对不同工况，锂离子电池通常采用多种结构配置，其中包括常压型、油浸型、裸潜型以及混合型等^[20]。

2 锂离子电池冷却方案

在AUV高速巡航模式下，动力电池以较高速率放电，产生大量热量，散热不及时会导致电池自身温度快速上升。基于实海试验数据^[21]，对潜水器电池进行了实测分析，发现随海深增大，深海低温对电芯温度有抑制效果，但是不同电芯之间存在一定温度差异，而且在较浅深度时，电芯温度依然较高。锂离子电池的合适运行温度范围为20℃～40℃之间，且单个电池之间的温差应保持低于5℃^[22]。因此，在AUV上必须实施严格的热管理措施，确保电池在安全温度范围内运行，同时保持温度均匀。本章将重点介绍锂离子电池的冷却方案及其对安全性能的保障作用。

2.1 空冷方案

空气冷却类型的系统由于其简单和低维护成本而广泛用于新能源汽车中的BTMS^{[23 − 24]}。其中分为自然对流和强制对流^[25]，研究^[26]表明自然空冷在低倍率放电下可维持适宜温度，但在高倍率下冷却效果不足；强制风冷依靠风扇循环空气，可有效抑制温升，但会增加能耗^{[27 − 29]}。

然而，在水下设备中，空气冷却存在根本限制：密封环境无法形成空气流通，热量难以排出，尤其在大功率工况下冷却效率极低。

2.2 液冷方案

液冷系统作为最高效的热管理技术之一广泛应用于水下设备锂离子电池包中^[30]。相比风冷系统，液冷元件具有更高的导热系数、比热容^[31]，尤其适用于水下设备这种密闭、高功率密度、热交换困难的环境。液冷系统的研究主要集中在不同的冷却剂、不同种类的液冷设计^{[32 - 33]}，以实现更均匀的温控和更可靠的安全保障。

目前的研究大多选择硅油和矿物油作为冷却剂，研究^[34]表明油的冷却效果比水和空气更好。Kim等^[35]发现矿物油能在高温瞬态条件下稳定圆柱电池温升并抑制温度波动。Hirano等^[36]使用Novec7000（沸点34℃），在20C充放电下仍能将锂离子电池温度控制在约35℃。Gils等^[37] 进一步证明，未沸腾的Novec7000冷却效果优于空气，而沸腾后能提升温度均匀性。Luo等^[38]验证变压器油的高粘度导致系统在高流量下出现显著压降和功耗，需采用低流量设计以减小压力损失。Mondal等^[39]利用Al₂O₃-水纳米流体改善了电池温度分布，验证其良好的热管理性能。

为防止冷却剂泄露和电路短路，一般液冷多采用间接冷却。Qian等^[40] 发现增加流道数量、宽度及冷板厚度可有效降低电池组最高温度。Chen等^[41]确定微通道深度是压降的关键因素。同时优化流道也是作为提高冷却性能的研究方向，表3列举了一些新颖的液冷流道设计。

2.3 相变冷却方案

相变材料冷却技术利用材料在相变过程中吸收或释放潜热实现温度调节。相变材料可以从固态转变为液态或气态，或者从液态或气态转变为固态，在相变过程中，温度保持稳定，直到相变完成^[52]，原理如图10所示。

在水下设备中，由于环境密闭、维护困难且温控精度要求高，相变材料尚未成为主流方案，但作为削峰降温或与液冷系统协同的辅助技术，具备应用潜力。目前的研究主要集中在相变材料的选型、复合材料设计及相变冷却系统的结构与性能优化等方面。

Zhang等^[53]将石蜡（PA）与膨胀石墨（EG）复合制备EG/PA材料，并填充于泡沫铝孔中。实验表明，该结构低放电倍率下能降低电池温度并改善温度均匀性。

Ma等^[54]向PA/EG中加入铜纳米颗粒（CN），形成PA/EG/CN复合相变材料（CPCM）。在1C与2C放电下能维持电池于安全温度区间，最佳配比为PA：EG：CN=83.3%：14.7%：2%，铜的加入显著提升热导率，但超过2%后效果趋缓。Xu等^[55]提出PA-EG-GN复合相变材料，其热导率高于PA-EG，热物理性能更优。

Chen等^[56]制备碳涂层铝纳米颗粒增强的石蜡复合材料（Al-C/PW）。碳涂层网络显著提升热导率和热稳定性。

Grosu等^[57]开发出多孔分级纳米金属（63%Mg-22%Cu-15%Zn）用于增强PCM的形状稳定与导热性能，使热导率提升约3倍。

Zhang等^[58]采用疏油改性硅藻土作为石蜡载体，复合材料包封率达84.5%，经50次循环后仍具优良热稳定性，可降低环境温度约5.3℃。

Li等^[59]基于PW/EG体系引入SiO₂与铝蜂窝（Al-Hc）结构，提升了散热效率和机械性能，同时降低过冷值并防止材料泄漏。

2022年，Chen等^[56]利用PA、EG与SiC/SiO₂制备导热型CPCM，比例为80%PA、10%EG、10%SiC时冷却效果最佳，在1C和2C放电下显著降低锂离子电池温度。

Cao等^[60]制备PA/SEBS/h-BN复合材料（FCPCM），在6C放电及38℃工况下可将锂离子电池温度控制在45℃以内。

Ren等^[61]采用含SWCNT的PCM对18650电池进行模拟，含SWCNT体系能防止热失控并保持温度均匀性，提高电池安全性与寿命。

2.4 小　结

本节阐述了锂离子电池的冷却方案主要包括液冷以及相变材料冷却。综合2.2节和2.3节，在液冷方向，已有研究通过不同流道结构与仿生设计不断提升传热性能和温度均匀性；相变材料（PCM）领域，研究者通过复合增强与导热网络构建显著改善了热导率与循环稳定性。总体来看，液冷具备快速散热能力，而相变材料在被动稳温与削峰方面表现优越，未来研究应从“单一模式优化”转向相变–液冷耦合系统，通过在液冷回路中嵌入相变储能单元，实现动态稳温与能量再分配，同时，结合智能化热管理策略可实现对加热与冷却功率的自适应调节，以适应极地或深海复杂环境。在结构层面，基于拓扑优化的冷板设计将成为趋势，通过算法生成最优流道布局，实现性能与轻量化的协同提升。最终目标是构建兼具高效散热、被动稳温与智能调控的多物理耦合热管理系统，为锂离子电池在深海环境中的安全与可靠运行提供系统性解决方案。

3 锂离子电池低温管理 3.1 低温对锂离子电池的影响

低温会显著影响锂离子电池的电化学反应动力学与传输特性，导致容量衰减、功率下降、寿命缩短及安全风险增加^[62]。

研究^[63]表明，温度每下降1℃，电动汽车续航减少约1.1 km；在−7℃与−20℃时，续航分别下降20%和60%。同样，极地AUV中的锂离子电池在低温下扩散速率降低、阻抗升高，严重时影响放电性能 ^{[62, 64]}。

低温下，锂离子在电极与SEI层中的扩散受限，极化加剧，功率输出下降^[65]。极化越高，完成扩散所需的时间就越长，由此产生的电池功率能力就越低。可通过与超级电容器组合缓解此问题，但系统复杂度与成本相应增加^[66]。

此外，低温和高倍率充电易诱发锂电镀，形成枝晶，破坏SEI膜并引发短路与热失控。研究表明使用钛酸锂（LTO）代替石墨，使电池对锂电镀的敏感性大大降低^[67]。锂电镀形成的枝晶可能导致电池内部短路并引发热失控，尤其在老化电池、高电流或极端温度下更为严重。

低温环境下充电效率显著下降，进一步削弱电池性能与安全性。为确保AUV在极地环境中的可靠运行，需采用高效预热技术，将电池温度提升至适宜范围以减轻低温影响。

3.2 低温预热技术

近年来大量预热策略和方法被提出，主要分类如图11所示。

通常锂离子电池低温预热方式分类为外部加热方法与内部加热方法。外部预热的热量来源于外部热源，通过热传导或者热对流来提升电池温度，一般有空气对流预热、液体预热以及加热膜预热。王发成等^[68]采用空气对流法，在–15℃下加热至0℃需约21 min，但空气导热差、效率低。与空气介质相比，液体具有较高的传热效率，罗玉涛等^[69]和Zhu等^[70]利用液体介质加热，能在10～20 min内将温度提升约10℃，但会导致温度的梯度变化、电池组温度分布不均匀的问题。Liu等^[71] 的微热管加热效率高，但是热管制作工艺复杂，高成本制约其使用。此前宋德勇等^[72]针对充油锂离子电池系统在电池箱底部布置若干功率为20 W的加热板，1 h后电芯温度由0℃升至约38℃，温度分布较为均匀，底部升温最显著。

内部加热方法主要利用的低温状态下锂离子电池的高阻抗性质，内部产生热量对自身加热，热量损失更少，能量转换率更高。Wang等^[73]在电极间嵌入镍片，通过电流产生欧姆热预热电池，温升速率达1.2℃/s，效果十分可观。Yang等^[74] 发现镍片数量增加可提高温度均匀性并缩短预热时间。Zhang等^[75]指出镍片过多会造成厚度方向温度不均匀并带来安全隐患。

另一种方法为利用自身电阻产热，可分为直流预热、交流预热以及脉冲预热。直流加热较为简单，但在幅值较大时会出现极化现象，造成负极析锂影响容量、寿命。Qu等^[76]对电池施加不同幅值的直流电，随幅值增大，预热时间减少，但是寿命循环次数也随之急剧降低。交流预热是施加具有一定频率和幅值的交流电产热，交流电可以使锂离子在电解液中扩散，有效避免锂离子沉积问题。Zhang等^[77]发现在低频条件下，幅值增大、频率降低会使电池温升加快。综上可得，交流预热加热速度快且热量损失低，发展的前景比较好。主要是对交流电流的幅值和频率进行调节，研究合适的幅值、频率以实现进一步发展。

3.3 小　结

低温使得锂离子电池反应动力学减缓、极化增大、锂枝晶风险上升及充放电效率降低，会限制AUV的能量输出与安全性能。低温预热技术是寒冷条件下确保锂离子电池可靠性的重要手段。在当前的工程实践中，外部加热如加热板^[72]仍是主流选择，但内部加热具有响应快、热量集中等优点，我认为在未来的发展中趋向于外部与内部加热的协同优化，且结合智能化可实现分层、分区式的预热，进一步可以与冷却系统相结合形成预热、稳温到散热的一体化热管理系统。

4 结　语

随着深海探测和作业需求的不断提升，锂离子电池在潜航器的应用展现出巨大潜力。深海及极地的低温环境对电池性能和安全性提出了严峻挑战。本文阐述了锂离子电池在水下的应用实例，以及散热冷却、低温预热等关键技术。未来，深海锂离子电池的发展将主要集中在材料创新、智能化热管理和安全保障策略3个方向。一方面，采用高导热材料与新型相变材料结合，有望进一步提升电池热调控效率与本征安全性；另一方面，智能传感控制与新型热管理设计将实现对电池各单体温度的实时监测与精确调节，使热管理更加高效、自适应并兼顾高低温保护。

随着多学科交叉与工程化推进，未来的深海电池系统将在热安全性、能量密度与环境适应性方面实现全面提升，为潜航器提供更可靠的能源保障。