据《2022世界人口展望》预测，按现如今的人口增长速度预计到2030年全球人口将会增长到85亿，到2050年达到97亿。随着人口数量的急剧增加，对资源的需求量也是巨大的。然而，陆上与沿海资源有限，未来必定会面临资源告罄的局面，因此资源短缺问题亟待寻求突破口。在这种背景下，深海资源的勘探和利用必将成为全世界范围内未来发展的重中之重。深海区域是一个国家合法具有特殊法律地位的最大的政治地理单元，它包括国家管辖范围以外的海床、海洋和底图等国际海底区域。深海区域作为战略新疆域，是大国、强国利用战略资源，谋求国家战略优势的重要领域。目前，世界各国“跑马圈地”运动正在有序展开，适应于该领域的国际秩序和规则仍不完善。可以确定的是，未来整个国际关系博弈的新舞台将会聚焦于国际规则的制订。
《联合国海洋法公约》对深海区域的开发给出了一定的约束。《公约》规定，各沿海国家享有其各自的专属经济区(EEZ)，其范围是从领海基线开始向外延伸的200kn区域内，此外，部分国家可以根据大陆架延伸原则再申请150kn外大陆架，再向外则是全人类所共同享有的国际海底区域，是必须重点关注的区域。我国之所以应更多关注深海，是因为我国合法拥有的EEZ和外大陆架面积十分有限。“深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，要得到这些宝藏，必须在深海进入、深海探测、深海开发等方面掌握关键技术。”国家主席习近平也多次提到深海科研。我国已将深海列为战略新疆域，它对提升国家的政治、经济、科技、安全等各方面的战略价值日益凸显。要想开拓这一领域，进而为我国赢得未来更多战略发展空间和战略资源，离不开重大深海技术装备(如深潜器)的创新和发展。世界海洋强国也纷纷制定了海洋发展战略，并高度重视深潜器的研发。深海电源系统是深海装备的核心动力，是保证深海装备实现深海探索和开发的关键部件，其水平直接影响深海装备的作业能力和安全可靠性。近60年以来，世界主流深潜器的能源供给系统大致经历了铅酸电池、银锌电池和锂离子电池(包括固态锂电池)3个发展阶段。3类电池各有优缺点。铅酸电池成本低廉但能量密度偏低；银锌电池能量密度较铅酸电池有提高但循环寿命短、维护繁琐；锂离子电池尤其是固态锂电池能量密度高、循环寿命长，也是目前深海电源系统所普遍采用的。本综述便是以世界各主要经济体的海洋战略为牵引，以深潜器能源供给系统(如铅酸电池、银锌电池、锂离子电池等)的迭代升级为重点而展开的，以期为科研人员提供深潜器用电化学储能器件及其关键材料提供重要参考。同时，文末还对未来深潜器用电化学储能器件及关键材料发展所面临的机遇和挑战提出了几点见解。欲探其道，必览列国。近年来，世界海洋强国在海洋基础设施建设和相应装备研发方面的“军备竞赛”早已在无形中打响，只为在未来深海区域资源开发利用的“争夺战”中取得先机。在这其中又以欧盟、美国和日本为典型代表。欧盟在《欧洲海洋可再生能源——欧洲新能源时代的挑战和机遇》以及《潜得更深：21世纪深海研究面临的挑战》中指出，欧洲需要采取必要措施以确保海洋可再生能源可以满足其自身的需要并从其目前深海研究的现实情况提出了未来关于深海研究的相应目标和关键研究领域。作为顶级海洋强国，美国则拥有更加全面的海洋科技强国战略，并且制订了一系列海洋科技发展战略规划。从20世纪80年代开始便先后出台了《全球海洋科学规划》、《21世纪海洋蓝图》、《2030年海洋研究与社会需求的关键基础设施》，以期为美国海洋科学事业发展提供关键决策支撑和全面战略规划。日本作为一个海岛国家则更加重视海洋科技的规划和创新发展。其于1968年开始相继发布《日本海洋科学技术》、《海洋开发基本构想及推进海洋开发方针政策的长期展望》，提出了以海洋技术为先导，着重开发包括海洋卫星和深潜技术、深海资源开发技术等高新海洋技术的方针以推进其“海洋强国”战略行动。总体而言，以欧盟、美国和日本为代表的海洋国家或组织相继制定了一系列的海洋发展战略以期能在未来的海洋战略布局上取得先机，进而为未来深海资源的开发和利用夯实基础。面临此等国际海洋形势，我国并未固步自封，而是与时俱进、开拓创新，制定了一系列海洋发展规划和战略举措。与国外主要国家和组织争相制订海洋发展战略相比，我国海洋战略举措的制定起步时间相对较晚，这要求我们更要迎头赶上、迎难而上、勇于开拓海洋战略新篇章。习近平总书记高瞻远瞩地指出：“深海蕴藏着地球上远未认知和开发的宝藏，但要得到这些宝藏，就必须在深海进入、深海探测、深海开发方面掌握关键技术。”水下观测和水下探测等大国重器是探索海洋资源并合理利用的基础保障，是建设海洋强国的攻坚利器。我国海洋事业自党的十八大迎来了前所未有的发展良机。贯彻落实“深水”战略，向深海不断挺进是我国海洋科技的战略方向。“坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”于党的十九大报告提出后，“加快建设海洋强国”的重大部署再次于党的二十大报告作出。以习近平同志为核心的党中央高度重视海洋事业的发展和海洋强国的建设，相继作出一系列重大部署并提出一系列重要举措，为实现建设海洋强国指明了前进方向、提供了根本遵循、赋予了强大动力。与此同时，我国持续部署国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项，现已取得了一系列重大成果突破(如“蛟龙号”深潜器、“深海勇士号”深潜器、“奋斗者号”深潜器等)，并逐步实现关键技术的国产化，表明我国已成功掌握用于开发深海资源的大国重器，为未来深海资源进一步的勘探和开发打下了坚实基础。进入深海是得到深海所孕育的宝藏的前提条件，深潜器则是人类进入深海必不可少的利器。考虑到深潜器深海工作环境的特殊性，电池成为其在水下工作的唯一能量供给来源，可以说深潜器的发展离不开电池的更新迭代。随着深潜器装备能力的不断升级，其电池也经历了由铅酸电池、银锌电池到现如今得到主流应用的锂离子电池(包括固态锂电池)的发展过程。其中使用铅酸电池和银锌电池作为能源供给的代表性深潜器如表1所示。下面将逐一介绍不同类型电池在深潜器上的主要应用。20世纪60年代铅酸电池技术已经较为成熟，同时由于成本较低等优点率先被用作深潜器的能量来源。较为典型的代表是美国的“阿尔文”号载人深潜器，其使用容量为37kW·h的铅酸蓄电池，最大工作深度为4500m，最大速度1.35节，可在水下工作4~5h。此前，学术界对深潜器的研制并无多大兴趣，直到1966年“阿尔文”号载人深潜器在西班牙海域成功打捞出一颗失落的氢弹，其优异的军事应用能力极大激发了研制深潜器的热情，并由此揭开了深潜器研制的序幕。此后各类载人深潜器不断涌现。如法国在80年代服役的“鹦鹉螺”号，其仍使用铅酸电池作为能量来源，容量为38kW·h，虽然较“阿尔文”号并无多大提升，但最大工作深度可以达到6000m，最大速度为2.5节。相对于西方发达国家，我国在深潜器研制方面起步较晚。1994年，我国第一台无缆水下机器人“探索者号”在西沙群岛附近海域成功下潜到水下1000m深处，成为我国到达深海的先驱者(图1)。这一水下机器人采用国产充油铅酸电池为动力，最大工作深度1000m，活动范围可达12kn，续航能力6h，最大前进速度4节，巡航速度2节，可在4级海况(中浪，浪高1.25~2.50m，波浪具有明显形状，到处形成白浪)下正常回收。该水下机器人在水下工程、海洋石油及海洋矿藏资源开发、海洋科学考察以及打捞救生等方面展现出广阔应用前景。同期世界上只有美、俄、法、日等少数发达国家掌握这种先进技术，这标志着我国水下机器人技术已趋向成熟。铅酸电池是20世纪60年代技术发展最为成熟的电池系统，且由于其较为低廉的造价，其成为第一类被广泛用于深潜器上的能源供给系统。但是铅酸电池的劣势同样明显：1)大电流放电能力较差，当其高倍率放电以及发生副反应时生成的PbSO4无法在负极全部还原为海绵铅以致电池负极造成永久的活性物质损失，使其不可逆的容量降低。同时具有较差的导电性的PbSO4的存在使得负极电化学反应阻抗大大增加，抑制了电解液的扩散，直至电池失效。2)铅酸电池在后期的充电过程中存在严重的析氢以及自放电问题，使得电解液严重失水并使电池内阻和离子扩散阻力增大，加速了电池的失效。这严重限制了其在高性能潜水器上的进一步应用，随着电池技术的不断发展，20世纪90年代左右铅酸电池逐渐被能量密度更高的银锌电池所取代。银锌电池是一种实用的具有高比能量和高比功率的电池，通常以氧化银(AgO和Ag2O)为正极，锌(Zn)为负极，氢氧化钾为电解液，其能量密度是铅酸电池的数倍，同时其大电流放电能力极强，瞬间可达上千安培。同时其还具有平稳的放电电压、高电压精度，因此其在水下装备的应用非常广泛。日本于1989年建造完成的“深海6500”号便是以容量为86kW·h的银锌电池为电源，该潜水器曾下潜到创记录的6527m，创造了载人潜水器的深潜记录。我国使用银锌电池作为动力源的载人潜水器的典型代表是“蛟龙”号(图2)，其配备重达1.2t的主蓄电池箱，容量高达110kW·h，接近日本“深海6500”号的1.3倍，较高的容量使得其可在水下工作时间高达8h，是日本“深海6500”号的2倍。其巡航速度1节，最大前进速度2.5节，可以在4级海况下进行水下作业，在5级海况(大浪，浪高2.5~4.0m，出现高大的波峰，浪花占了波浪上很大的面积，风开始削去波峰上的浪花)下进行回收。得益于如此优异的性能，“蛟龙”号于2010年7月下潜到3759m的海底并顺利完成海底取样和海底微地形地貌探测等任务[30]。2011年7月又在东北太平洋中国多金属结核合同区西区成功进行了5000m级海上试验与应用并取得一系列技术和应用成果，使中国成为世界上第5个掌握5000m以上载人深潜技术的国家。2012年6月，“蛟龙”号于马里亚纳海沟顺利完成7000m海试，比日本“深海6500”下潜深度还要多500m，7000m的下潜深度早已实现中华民族“可下五洋捉鳖”的长久梦想。而在“蛟龙”号载人潜水器立项之前我国研制的载人深潜器最大下潜深度只有数百米，从数百米一步跨越至7000m，其中技术飞跃所面临的艰难险阻可想而知，向我国可爱的科研工作者们致敬。虽然银锌电池在载人深潜器上的应用成效是显而易见的，但其亦存在固有的劣势：1)正极的AgO易受热分解为电阻率更大的Ag2O，使得银锌电池的内阻增大，同时降低其自身电压。此外，分解过程生成的O2还会进一步增加电池内部的压力，使得电池寿命下降并存在一定的安全隐患。2)负极的锌电极在碱性电解液下易被氧化溶解并释放H2。不仅会降低电池的容量还会造成电池槽的破裂，导致漏液的发生以及微短路。这严重影响其使用寿命及安全性能，大大限制了其后续在载人潜水器上的应用，以至接下来越来越多的深潜器转而使用锂离子电池(包括固态锂电池)。铅酸电池和银锌电池在其特殊的时代具有特殊的意义，但这两种电池存在比能量低或充电速度慢、成本高等各自的问题。与之相比，锂离子电池具有远高于铅酸电池和银锌电池的能量密度；具有宽的工作范围，能在−20℃至60℃范围内正常工作；具有较长的循环寿命，银锌电池使用寿命约为1年且只能循环30余次，而锂离子电池的使用寿命则长达8年。3种电池的性能比较如表2所示。自20世纪90年代锂离子电池实现商业化以来，得益于其比能量高、循环寿命长等优点，越来越多的深潜器开始使用锂离子电池。在这其中又以能否进行充放电进而重复使用为标准，将锂电池分为一次锂电池和二次锂电池。二次锂电池又根据所采用电解质的不同分为传统液态锂离子电池和聚合物基固态锂电池。上述锂电池在深潜器方面的应用都有其独特的优势，下面将一一介绍。以锂/亚硫酰氯为代表的锂一次电池具有非常高的能量密度，通常高达420(W·h)/kg，当在低速率放电的情况下该数值还会进一步增加至650(W·h)/kg。该电池还具有高低温性能好的优势，通常可在−40℃至50℃内工作，甚至即使在−50℃至150℃也能工作。此外，其还具有高达3.6V的开路电压，同时在以1mA/cm−2放电时，电压可保持在3.3V，且在90%的容量范围内电压保持不变。得益于如此优异的性能早在2000年时该电池便被用于远程水雷侦察系统以用于雷区情报收集和水雷的识别定位。但同时该电池也存在电压滞后、低温放电时容量衰减大和大电流放电能力差等缺点，这就使得其在用于深海潜水器的储能系统时存在明显钝化和激活时间过长等问题。此外，锂/亚硫酰氯电池还存在安全性较差的问题，当遇到短路、大电流或高温时容易发生热失控进而导致爆炸。美国和法国在早期采用锂/亚硫酰氯电池作为鱼雷的动力来源的研制过程中均发生过爆炸事故。除锂/亚硫酰氯外，国内研究者还在Li/MnO2、Li/CFx、Li/SO2等高性能锂一次电池的研究中有所建树，但这些高比能一次电池也存在放电过程膨胀较大、升温较高以及成本高昂等问题，上述不利因素限制了锂一次电池在深海潜水器上的应用。相对于锂一次电池而言，锂二次电池具有更长的循环寿命和更高的安全性，因此锂二次电池在深潜器上的应用较锂一次电池要广泛，而这其中又以传统的锂离子电池在深海潜水器上的应用最多。在无人深潜器方面，美国REMUS-6000无人深潜器搭载锂离子电池组作为电源，最大工作水深高达6000m。法国研制的ALISTAR-3000搭载可移动锂离子二次电池组，在充电8h后可为深潜器提供25kW的能量。我国由中国科学院沈阳自动化研究所于2015年研制的“潜龙一号”深潜器亦搭载锂离子电池作为动力来源，其可在6000m水深下环境工作，最大续航时间达24h。“潜龙一号”的成功下水标志着我国深海无人深潜器技术已达国际先进水平，在这其中锂离子电池起到的作用不可忽视。对于载人深潜器，国外较为知名的美国“阿尔文”号和日本“深海6500”号载人深潜器均在后期升级后改为使用锂离子电池，其能量密度高达130(W·h)/kg，两者的下潜深度分别达到4500m和6500m，可单次作业4~8h。虽然我国载人深潜器的研制起步较这些发达国家较晚，但近年来在相关国家政策的支持和指导下也踏上了深潜器锂电化的新征程。2017年搭载能量密度为120(W·h)/kg的磷酸铁锂电池的“深海勇士号”载人深潜器问世，其可在4500m水下环境进行作业，作业时长约6h。2020年，搭载135(W·h)/kg锂离子电池的载人深潜器“奋斗者号”顺利完成万米海试，最大载人深潜10909m，最大作业时长约10h左右。具有更高能量密度、更长循环寿命和高安全性能的锂离子电池在深潜器上的应用，极大地延长了深潜器的作业时间，以及更深的下潜深度，极大的促进了近代深潜器的发展。但未来深潜器电源系统的新秀或许是具有更高能量密度的聚合物基固态锂电池。用聚合物基固态电解质代替传统液体电解质来制备聚合物基固态锂电池，比传统液态锂离子电池具有更高的能量密度和更高的安全性能。将聚合物基固态锂电池应用于深海潜水器将极大地满足深海潜水器大深度、长续航的苛刻要求。将聚合物基固态锂电池用于深海潜水器的知名团队是中国科学院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊研究员团队，该团队历时10余年的聚合物基固态锂电池研究历程，开发出全海深固态电源系统，极大推进了我国深海探索事业的发展。该团队在2017年3月研发的固态锂电池电源系统随TS03航次科考船远赴马里亚纳海沟，为“万泉”号着陆器控制系统及CCD传感器提供能源，累计完成9次下潜，其中6次超过10000m，最大工作水深10901m，累计坐底工作时间98.5h，顺利完成万米全深海示范应用，这标志着我国成功突破了全海深电源技术瓶颈，填补了全海深高能量密度深海电源系统的技术空白，进一步验证了固态锂电池所具有的高可靠性和高安全性。2018年8月到10月，再次远赴马里亚纳海沟的TS09航次科考船所使用的模块化固态电源系统仍来源于该团队，该电源系统为天涯、海角、万泉等全海深着陆器提供能源动力，累计完成潜次作业27个，其中下潜深度超过万米共计15次，下潜深度最大为10918m，单次下潜作业时间最长为26d10h43min，创世界单次连续作业时间记录，保障了我国获取首批超万米深度的全海深水文数据以及海底复杂地形下实时勘测的有效能源供给。2018年12月到2019年6月，该团队再次研制出应用于长潜伏“金鸡”着陆器高能量密度固态锂电池系统并顺利完成了南海坐底作业，并持续无故障运行长达198d，证明了固态锂电池及BMS系统同时具有超高能量密度以及低功耗特性。2020年11月，“沧海”号视频着陆器搭载该团队研发的全海深固态锂电池系统，该系统可以提供充足的能量动力，成功保障了“沧海”与“奋斗者”的万米深海联合作业，实现了全球首次万米洋底直播，为“奋斗者”号拍摄了清晰的视频画面，“奋斗者–沧海号”成功标注的中国载人深潜新坐标得以被视频见证。同月，该团队研制的高功率固态锂电池系统为“鹿岭”机器人提供了长航时、大功率的动力来源，成功完成10个位点10km的全海深复杂工况下爬游作业，充分验证了深海固态锂电池系统的高功率、高可靠、高安全、高能量密度等优点，达到水下装备对大功率及长航时运行的需求。该团队持续提升固态锂电池的技术以及品质，成功满足深海特种电源“高耐压”、“高安全”以及“高能量密度”的“三高”苛刻要求，打破了国外技术的垄断，为国产深海装备提供了可靠的动力来源。自2015年至今共计为各类深海科考装备用户提供了110批次的固态锂电池电源系统。8年内，该团队研制的全海深电源系统实现惊人的零故障示范性应用，为我国深海事业发展提供了安全、可靠、零事故运行的特种电源保障，表明我国深海装备用全海深电源系统技术已趋于成熟。深海资源的勘探离不开深海样品的相关测试，但传统的自海底取样后拿到陆地实验室检测的海洋调查方式容易因环境变化导致样本数据损坏或确实，因此有必要在深海原位进行科学实验，在海底布设原位科学实验站是一较好的解决措施。2022年10月25日，我国大深度原位科学实验站在海底成功布设，由“探索二号”科考船携“深海勇士”号载人潜水器完成。原位科学实验站采用中国科学院青岛生物能源与过程研究所崔光磊研究员团队研发的固态锂电池，首次实现了在深海装备上集成兆瓦时级别固态锂电池[34]，这是目前深海装备所能携带的最大的能源容量，同时在能量密度以及能源系统集成与管理技术方面实现了新的突破。并且还在千米的洋底成功进行试验性应用海试，验证了其能源及管理系统的安全性和有效性。陆海天空，是人类终将抵达的彼岸，或许我辈无缘亲眼领略无限星空的浩瀚，但若于人类发展必经之路的深海耕耘，愿在我辈实现。深海蕴含着无限未知的宝藏，随着陆上资源日益消耗，人类不得不调转方向向海洋探索新的能源。要想充分进入海洋，深潜器或许是第一步。自20世纪60年代美国“阿尔文”号载人深潜器顺利下水，到2020年中国“奋斗者”号载人深潜器在马里亚纳海沟成功坐地10909m，回望60多年来世界深潜器的发展历程，深潜器下潜深度不断增加，工作时间不断增长，而这离不开深潜器动力心脏——电池的迭代升级。世界主流深潜器搭载的电源系统大致经历了铅酸电池、银锌电池和锂离子电池3个主要发展阶段。铅酸电池能量密度较低；银锌电池使用寿命短且价格昂贵。当下世界主流深潜器均已将两者摒弃转而选用能量密度更高，循环寿命更长的的锂离子电池。更高的能量密度意味着可以大大降低电池组的质量进而显著提高深潜器的有效载荷能力，且随着聚合物基固态锂电池在深潜器上的大规模应用，未来深潜器的作业时间和空间将更加广阔。目前我国已实现万米海深的成功坐底，但由于储能系统所携带能源偏低导致单次作业时间十分有限，无法满足长时间的海底作业需求。笔者认为，为进一步提高深潜器在水下的工作时间和空间，未来深潜器电源的发展可以考虑以下几点：1)开发更高能量密度的储能电池。“奋斗者”号深潜器搭载的锂离子电池能量密度仅135(W·h)/kg，因此开发更高能量密度500(W·h)/kg的固态锂金属电池非常重要。此外，探索更高能量密度的锂硫电池也是可以考虑的。2)开发高丰度金属离子电池。我国锂资源有限，主要锂矿资源均分布在国外，一旦未来国际形势恶化必将导致锂资源的进口遭到严厉限制，现有的锂电池技术也必将会遭遇严重的“卡脖子”问题。我国钠、镁等资源分布较锂丰富太多，不会遭到源头上的限制，且成本较低，能从根源上免受部分国家恶意的围追堵截。
