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空气电池,信息化战场的能源新星

2019-05-22 15:34
解码黑科技
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空气电池是一种特殊的燃料电池,它以金属为燃料,通过与空气中的氧气发生化学反应产生电能。由于氧气可以无限量供应,理论上空气电池的蓄电量可以达到锂离子电池的5至10倍,有“终极蓄电池”之称。

制作空气电池可选用的原料比较多样,已经取得研究进展的空气电池主要有铝-空气电池、镁-空气电池、锌-空气电池和锂-空气电池等。其中,锌-空气电池和铝-空气电池已有实际应用,正在研制中的锂-空气电池性能最好,同等体积和重量下,比功率和比能量远高于目前使用的锂离子电池,因此被寄予厚望,是当前的研发热点之一。

战场应用优势突出

与普通蓄电池相比,空气电池用氧气取代金属,重量大幅减轻,具有轻便、能量密度高等优点,符合装备使用电源“更小、更轻、更有效”的要求,在军事应用中具有诸多优势。

机动性能好。空气电池的氧化剂来自空气,电池重量大大减轻,贮运方便,具有较好的机动能力。它还可以模块化使用,作为大功率移动电源为军事装备和设施供电。

保障效能高。空气电池具备能量密度高、放电电压稳、循环使用寿命长等优点,且结构简单,作战中通过快速更换金属电极和电解液,可持续提供电能保障。

环境适应性强。空气电池采用的金属电极原材料丰富多样,即便在严苛的战场环境下也较容易获取。

生存能力高。空气电池的反应物和产物无污染,热辐射和电磁辐射等信号特征弱,与普通电池相比,可提高装备的战场生存能力。

后勤维护率低。在作战中,空气电池几乎不需要维护保养,减少战时后勤负担。

由于结构局限,空气电池的不足主要体现在利用率低、寿命短、能量密度小、高功率输出不足等方面,制约其走向大范围应用。近年来,各国加快空气电池研发速度,提高电池性能,推动实际应用。据《日本经济新闻》报道,日本计划在2025年实现锂-空气电池实用化,目前多家企业已取得技术突破。

加快实用化步伐

空气电池既可用于建造大、中型基地电站,也可用作电动车辆、无人机和小型潜艇的电源,同时还可作为单兵装备、笔记本电脑等小型设备的便携式电源,推动上述装备小型化、轻量化,更好地适应未来战争形态和作战需求。

水下装备的理想电源。小型潜艇等水下装备对电池的要求包括安全性高、比能量高、稳定性好等,空气电池的特性非常符合这些要求,被认为是最佳水下装备动力源。特别是采用空气电池后,系统基本不向外排放废弃物,装备的尾流特征极小,声音特征也远低于采用常规动力,可大大提高隐身作战能力。

目前,美国海军已推出采用铝-空气电池为动力的无人潜水器,水下连续作业时间长达258小时。加拿大海军使用铝-空气电池替代银锌电池,使潜水器航程从290千米增加至870千米,比能量达160瓦时/千克,续航能力提高到原来的5倍。挪威开发的自主潜水器采用铝-空气电池后续航能力提高到60小时。

提升无人机续航能力的强劲电源。空气电池也适用于中小型无人机。美国一家公司专门为无人机研制出一款锌-空气电池并已通过测试,该空气电池具备功率大、质量轻等特点,可大幅增加无人机续航时间。

将空气电池与蓄电池联合使用,是外军探索的另一种方案。其中,空气电池为无人机巡航飞行提供动力,蓄电池则满足其峰值功率需求。不过,由于技术所限,目前尚没有实例。

电动车辆、单兵电子设备的潜力电源。锂-空气电池被看作是便携式设备和电动车辆的理想电源,具备较大的发展潜力,加上无环境污染,满足战场上军用车辆的低目标特征要求。

信息化战场上,海量作战数据需要传输,单兵电子设备能否获得稳定、高效、持续的电源保障,一定程度上影响作战进程和结果。美军历来重视单兵装备的供电保障,特别是在经历伊拉克和阿富汗战争后,更加重视研发轻质移动电源,减少电池带来的负担,提高单兵作战能力。空气电池是理想的小型化、便携式电源,未来主要替代便携式蓄电池。

此外,空气电池还可设计成集成电池组,用作发电机组或其他蓄电池的备用应急电源,在野战条件下为军事基地、通信基站等提供稳定可靠的电力保证。

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