激光武器作为定向能武器的一员，具有光束传输速度快、精度高、灵活性强、单次发射费用低廉、抗干扰能力强等优势。既可以作为毁伤敌目标的有效手段，又可以构成己方近程低空防御系统，有效拦截敌方无人机、导弹等作战单元。因此，在防空反导、信息对抗、精确打击等方面已逐步进入实战化应用[1]。激光武器被认为是美国导弹防御定向能武器的一个重要组成部分[2]。同时也越来越受到我国军方的重视。它将改变以往的战场环境和作战方式，使未来战争形态发生深刻变革[3]。激光武器系统实战化的应用需求，带动了相关分系统的技术发展。能源系统作为激光武器系统的“弹药库”，影响着激光武器系统的作战时间和打击效果。为了达到武器系统对于实战化的作战要求，我们需要能源系统输出功率更大，恢复时间更短，环境适应性更强，更加安全可靠的储能方案。
激光武器按部署方式分为天基激光武器、地基激光武器、机载激光武器、舰载激光武器和车载激光武器[3]。按工作介质不同分为固体激光器、气体激光器、染料激光器等[4]。其中固体光纤激光器以其光束质量好、转换效率高等优点倍受青睐。它们的功率需求从几十千瓦到上百兆瓦，作战目标从小型飞行器到战略导弹。作战特点是时间较短，一般是秒级，但作战瞬间功率需求较大。同时，为满足实战化需要，要求一次作战发射后能够快速进入第二次发射状态。突出的随行防御能力使车载与舰载固体光纤激光武器系统得到了快速发展，其典型作战发射的能源需求整理归纳如下。
表1 车/舰载光纤激光武器打击目标发射需求
目标 功率需求 | 小型 无人机 | 固定翼 无人机 | 亚音速 巡航弹 | 超音速 弹道导弹 |
武器系统需求功率 | 150kW | 500kW | 1500kW | 5000kW |
打击时间 | 8s*200 | 10s*100 | 20s*50 | 30s*10 |
恢复时间 | 900s | 900s | 900s | 900s |
由表1可知固体光纤激光武器可打击目标多样，在发射时功率较大，且根据打击目标的不同，需求功率不同，打击时间也不一致。共同点是需要能源部分短时间大功率输出，发射后能源部分恢复时间也较短。以实战化为目标进行分析，固体光纤激光器对于能源的需求归纳为以下几点：
固体光纤激光器对于能源的要求，迫使相关科研工作者对目前的能源储存和供给方式进行研究和优化。通过研究分析，电能是目前最为合适的固体光纤激光器能量源。因此，需要对储能电源的相关性能进行进一步比较，找到合适的储能方案。
目前使用较多的储能电源有锂离子电池、飞轮电池、超级电容、燃料电池等，储能电源作为固体光纤激光武器装备的“弹药库”，其性能的优劣将直接影响到激光武器装备的作战效能。因此，对于适用于固体光纤激光武器的储能电源的研究必须投入更多的精力。根据目前各种主流储能方式的技术特点，对照固体光纤激光器实战化需求，找出最合适的储能电源。不同类型的储能电源由于其性质的不同，适用场所也不一样，下面对不同类型储能方式的技术特点进行对比。
表2 不同类型储能方式技术特点对比
储能类别 | 能量密度 （Wh/kg） | 功率密度 （W/kg） | 恢复 时间 | 特点 | 适用 场合 |
锂离子电池 | 50~260 | 400~3000 | 根据材料不同，时间长、短都有 | 比能量大、自放电率低、类型丰富适用范围广，但部分类型存在安全隐患 | 电动装备、储能系统、特种电源等 |
超级电容 | 20以内 | 最大24000 | 极短 | 虽然寿命长，功率密度极大，但能量密度过低 | 脉冲电源 |
飞轮电池 | 100~200 | 5000~10000 | 极短 | 储存能量大使用寿命长，但体积及质量较大 | 大功率用电场所的后备电源 |
氢燃料电池 | 可达350 | 可达5000 | 短 | 清洁、高效，但储存、加注存在困难，有安全隐患 | 尚处于开发阶段 |
锂离子电池由于化学材料配方的不同，能量密度与功率密度可在较宽的范围内变化，环境适应性也有所不同，但化学材料本身存在一定的安全隐患，能量密度越高的锂离子电池安全性越差。目前市场上作为主流的锂离子电池，具有工作电压高、比能量大、自放电率低、无记忆效应等优点，广泛应用于航空航天、新能源汽车等领域。相比于锂电池，超级电容充放电速度快、超低温特性好、效率高、循环寿命长且安全性高。但超级电容电池自放电速度比电池快得多，通俗的说就是“存不住电”。超级电容电池充满电之后过一段时间就可能没电了，且能量密度较低。可用于起重装置的电力平衡、车辆启动电源及脉冲激光武器的脉冲能源。飞轮储能电池功率密度大、充电速度快、转换效率高、电池使用时间长，根据负载的不同，飞轮储能装置一般能够持续供电30s至100s[5]。但飞轮储能装置设备体积及质量较大，机械轴承稳定运行环境需要避免强烈的震动或冲击且发热量较大发热点集中，不能适用于搭载于各移动平台上的激光武器系统，更适用于大功率用电场所的后备电源。燃料电池按照燃料种类分为氢燃料电池、甲醇燃料电池、乙醇燃料电池等。目前氢燃料电池应用最为广泛。以氢气为燃料的燃料电池是一种将氢气的化学能直接、高效、无污染地转换为电能的装置，具有能量密度高、能量转换效率高、无污染等优点。缺点是目前尚未解决氢燃料的存储与加注问题，且低温性能存在隐患，无法作为军用装备的能源。根据以上分析可知，目前移动平台上固体光纤激光器最合适的储能电源是锂离子电池。当前市场上是磷酸铁锂、三元锂、碳酸锂、镍酸锂等多种类型锂离子电池并存的局面。锂离子电池根据正极材料的不同，性质差异巨大。因此需要根据电池材质的不同，归纳比较其性质的优劣，结果如下：
表3 不同类型储能锂电池技术特点对比
电池类别 | 能量密度 （Wh/kg） | 功率密度 （W/kg） | 恢复时间 | 特点 | 适用 场合 |
锰酸锂 | 100~150 | 1000 | 较长 | 功率较大，但寿命短 | 电动工具、医疗设备 |
钛酸锂 | 50~80 | 750 | 短 | 寿命长、充电快、安全性高但比能量低 | UPS、电动动力总成、太阳能路灯 |
钴酸锂 | 120~200 特种240 | 600 | 长 | 比能量较高，比功率低，高于1C充放会损伤寿命 | 手机、电脑、相机等 |
三元锂 | 150~260 | 500~3000 | 短 | 能量密度大，安全性有一定隐患 | 电动车、 工业生产 |
磷酸铁锂 | 80~150 | 400~2400 特种达4000 | 短 | 能量密度稍低，但能做到较大的功率密度，安全性较大 | 需要高负载电流和耐久性的场所 |
锰酸锂（LMO）电池：锰酸锂电池的材料具有一定的优点，它可以很大程度上避免枝晶的产生，但遭遇强大外力仍会可能造成晶枝出现，且循环寿命较低。钛酸锂（LTO）电池：钛酸锂电池的安全工作温度区域在-50度到65度之间耐温范围宽，安全性高，电池寿命长，快速充放电能力强，充电倍率高，但生产成本高，能量密度较小。钴酸锂(LCO)电池：循环寿命和功率密度较低，且过充状态会在负极形成枝晶，枝晶一旦形成，就会刺穿隔膜导致内部短路。由于电解液闪点和沸点较低；在温度较高的情况下就会燃烧甚至爆炸，控制锂枝晶的形成在小容量锂电池上比较容易。因此，钴酸锂电池目前仅限于便携式电子设备等小容量电池，而不能用于动力电池。镍钴铝（NCA）/三元锂电池：在可逆比容量、安全性、成本等方面达到了实际应用的要求；但依然存在不少问题，首次循环充放电效率低；热稳定性较差存在安全隐患；储存和涂覆性能较差。镍钴锰（NCM）/三元锂电池：具有电压平台高、能量密度高、振实密度高、电化学稳定、循环性能好等特性，同时还具有放电平台高，输出功率比较大，低温性能好，可适应全天候气温等优点，但同样存在安全隐患。三元动力锂电池组在低温下具有较高的电性能，如放电功率、能量效率等；相比于同规格的磷酸铁锂可提高10%，满足整车低温使用要求。因此，目前已经在商用新能源汽车上应用，例如特斯拉等，但存在安全隐患。磷酸铁锂（LFP）电池：容量大，原材料价格低，安全性和循环寿命较高，倍率性能好，可以快速充放。但同样存在需要技术改进的地方，导电率较低，电池一致性较差，振实密度与压实密度低，磷酸铁锂技术还在进步中。 根据以上锂离子电池的分析，功能上满足固体光纤激光武器装备储能电源需求的有磷酸铁锂、三元锂。下面从安全性角度对比三元锂电池与磷酸铁锂电池。锂离子电池作为一种新型环保电池，是新能源汽车主要的动力源和储能载体，但电池自燃起火等事故频发造成了极大危害[6]。特斯拉作为新能源汽车行业的旗帜，其在9个月内6次起火事故频发。
时间 | 地点 | 原因 |
2013年10月1日 | 美国西雅图南部公路 | 行驶中车辆自燃 |
2013年10月18日 | 墨西哥高速公路 | 碰撞后起火/爆炸 |
2013年11月7日 | 美国田纳西州士麦那 | 行驶中车辆自燃 |
2013年11月15日 | 美国加州奥兰治县居民车库 | 充电器过热起火 |
2014年2月初 | 加拿大多伦多居民车库 | 原因暂未公布 |
2014年7月4日 | 洛杉矶高速公路 | 原因暂未公布 |
21世纪网根据公开报道整理 |
事故背后折射出来的实质问题是特斯拉为了增加其续航能力，选择了能量密度较高的三元锂电池，在安全性方面有所牺牲。因此，三元锂电池用于激光武器的安全隐患较磷酸铁锂电池大许多。
图3 特斯拉起火现场图
2013年1月连续发生的波音787飞机在飞行过程中的锂电池起火事件，导致所有涉及波音787的活动搁置了两年多，甚至使锂电池能否作为民航飞机的主要动力来源这一问题也变得模糊起来[7]。锂离子电池如果处理不当，其内部电解质的化学反应极易引起升温起火，甚至爆炸。锂电池对力学冲击的敏感度高于其他电池且爆炸威力也大于其他电池[8]。相对于其他正极材料而言，LiFePO4材料在高放电倍率下仍然表现出高的放电容量和较好的循环性能，有更好的热稳定性及与电解质之间有高度兼容性[9]。作为军用电源，目前正极以LiFePO4为材料的磷酸铁锂电池最为安全。解决锂离子安全问题有两个途径，一是控制锂离子电池内部电解质的化学反应；二是通过外部电路对电池组各电芯进行合理统一的保护和管理及时发现并处理事故隐患。其中锂电池内部电解质的化学反应不可控。因此，对电池组进行统一的保护和管理已经成为保证锂电池组安全、稳定、高效和长寿的关键因素 [10]。所以，后续我们需要在优化电池管理系统的方面进行深入研究。
锂离子电池在军民产业应用中扮演着越来越重要的角色，尤其是随着军用定向能武器向实战化应用的脚步不断快速迈进，使得进一步缩短充电时间、提高能量密度、提升管理系统性能成为我们必须面对和解决的课题。
