空氣電池,信息化戰場的能源新星

2020-11-26 新華網客戶端

    空氣電池是一種特殊的燃料電池,它以金屬為燃料,通過與空氣中的氧氣發生化學反應產生電能。由於氧氣可以無限量供應,理論上空氣電池的蓄電量可以達到鋰離子電池的5至10倍,有「終極蓄電池」之稱。

    製作空氣電池可選用的原料比較多樣,已經取得研究進展的空氣電池主要有鋁-空氣電池、鎂-空氣電池、鋅-空氣電池和鋰-空氣電池等。其中,鋅-空氣電池和鋁-空氣電池已有實際應用,正在研製中的鋰-空氣電池性能最好,同等體積和重量下,比功率和比能量遠高於目前使用的鋰離子電池,因此被寄予厚望,是當前的研發熱點之一。

    戰場應用優勢突出

    與普通蓄電池相比,空氣電池用氧氣取代金屬,重量大幅減輕,具有輕便、能量密度高等優點,符合裝備使用電源「更小、更輕、更有效」的要求,在軍事應用中具有諸多優勢。

    機動性能好。空氣電池的氧化劑來自空氣,電池重量大大減輕,貯運方便,具有較好的機動能力。它還可以模塊化使用,作為大功率移動電源為軍事裝備和設施供電。

    保障效能高。空氣電池具備能量密度高、放電電壓穩、循環使用壽命長等優點,且結構簡單,作戰中通過快速更換金屬電極和電解液,可持續提供電能保障。

    環境適應性強。空氣電池採用的金屬電極原材料豐富多樣,即便在嚴苛的戰場環境下也較容易獲取。

    生存能力高。空氣電池的反應物和產物無汙染,熱輻射和電磁輻射等信號特徵弱,與普通電池相比,可提高裝備的戰場生存能力。

    後勤維護率低。在作戰中,空氣電池幾乎不需要維護保養,減少戰時後勤負擔。

    由於結構局限,空氣電池的不足主要體現在利用率低、壽命短、能量密度小、高功率輸出不足等方面,制約其走向大範圍應用。近年來,各國加快空氣電池研發速度,提高電池性能,推動實際應用。據《日本經濟新聞》報導,日本計劃在2025年實現鋰-空氣電池實用化,目前多家企業已取得技術突破。

    加快實用化步伐

    空氣電池既可用於建造大、中型基地電站,也可用作電動車輛、無人機和小型潛艇的電源,同時還可作為單兵裝備、筆記本電腦等小型設備的可攜式電源,推動上述裝備小型化、輕量化,更好地適應未來戰爭形態和作戰需求。

    水下裝備的理想電源。小型潛艇等水下裝備對電池的要求包括安全性高、比能量高、穩定性好等,空氣電池的特性非常符合這些要求,被認為是最佳水下裝備動力源。特別是採用空氣電池後,系統基本不向外排放廢棄物,裝備的尾流特徵極小,聲音特徵也遠低於採用常規動力,可大大提高隱身作戰能力。

    目前,美國海軍已推出採用鋁-空氣電池為動力的無人潛水器,水下連續作業時間長達258小時。加拿大海軍使用鋁-空氣電池替代銀鋅電池,使潛水器航程從290千米增加至870千米,比能量達160瓦時/千克,續航能力提高到原來的5倍。挪威開發的自主潛水器採用鋁-空氣電池後續航能力提高到60小時。

    提升無人機續航能力的強勁電源。空氣電池也適用於中小型無人機。美國一家公司專門為無人機研製出一款鋅-空氣電池並已通過測試,該空氣電池具備功率大、質量輕等特點,可大幅增加無人機續航時間。

    將空氣電池與蓄電池聯合使用,是外軍探索的另一種方案。其中,空氣電池為無人機巡航飛行提供動力,蓄電池則滿足其峰值功率需求。不過,由於技術所限,目前尚沒有實例。

    電動車輛、單兵電子設備的潛力電源。鋰-空氣電池被看作是可攜式設備和電動車輛的理想電源,具備較大的發展潛力,加上無環境汙染,滿足戰場上軍用車輛的低目標特徵要求。

    信息化戰場上,海量作戰數據需要傳輸,單兵電子設備能否獲得穩定、高效、持續的電源保障,一定程度上影響作戰進程和結果。美軍歷來重視單兵裝備的供電保障,特別是在經歷伊拉克和阿富汗戰爭後,更加重視研發輕質移動電源,減少電池帶來的負擔,提高單兵作戰能力。空氣電池是理想的小型化、可攜式電源,未來主要替代可攜式蓄電池。

    此外,空氣電池還可設計成集成電池組,用作發電機組或其他蓄電池的備用應急電源,在野戰條件下為軍事基地、通信基站等提供穩定可靠的電力保證。(李婭菲 劉振華)

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