深海电源

“蛟龙号”这个名字相信大家都非常熟悉，2012年它的最大下潜深度达到7000米，成为目前世界上下潜最深的作业型载人潜水器。7000米可不算浅，如果“蛟龙号”在下潜过程中失去了能源动力供应，亦或是电源系统发生了起火……那简直是不敢想象的事情。所幸，“蛟龙号”并没有发生这样的状况，这一切都要归功于为蛟龙号提供强大能源动力的固态锂离子电源系统。

这种电源系统属于国家战略资源，过去日本一直对中国严格封锁和保密，而如今，中国科研人员历经多年摸索与开拓，已经成功攻克全海深长续航动力电源关键核心技术，这对于包括像“蛟龙号”这样的潜水器在内的中国深海探测装备来说无疑是个好消息。

（蛟龙号深海电源系统）

1移动智能设备、电动汽车的动力来源都靠它

说到锂离子电源系统，可能你还有点儿似懂非懂，其实生活中我们经常用到的锂离子电池就是其中一种，从手机，到笔记本、平板电脑，再到电动汽车，几乎你能想到的所有领域，都有锂电池默默服务的身影。很难想象，如果没有锂电池，这个世界会变成什么样子。

不过，锂电池好用归好用，可一提到它，首先跳入人们脑海的一个问题大概就是：它们足够安全吗？毕竟这是一个生死攸关的大事情。其实，这同样也是困扰科学家多年的瓶颈问题。

传统锂离子电池主要由正极材料、负极材料、隔膜和电解液等四部分组成，隔膜和电解液在锂电池中起着隔绝正负极接触以及传导锂离子的作用，可以说是锂离子电池的核心部件。

现在商用的液态锂电池通常采用碳酸酯类电解液和聚烯烃隔膜（如美国的聚乙烯隔膜或聚丙烯隔膜），但由于碳酸酯类电解液极易挥发燃烧，并且聚烯烃隔膜的尺寸热稳定性不好（150oC收缩50%），导致液态锂电池在高温或滥用条件下存在极大的安全隐患。

2传统锂电池易燃烧不安全，科学家从电解质找到突破

传统锂电池的缺陷导致人们迫切需要开发高安全性的隔膜电解质体系，在这种背景下，固态电解质应运而生，由于不含液态电解液，它能从根本上解决锂电池的安全问题。

（传统锂电池与固态电解质锂电池对比）

固态电解质是固态锂离子电池的核心部件，具体又可分为无机固态电解质和聚合物固态电解质两大类。

关于无机固态电解质，日本做的比较多，主要集中在硫化物和氧化物方面，并且申请了多项无机固态电解质的专利，在全球进行产业链布局。无机固态电解质的优势在于室温离子电导率高，理论上可以进行快速充放电，但缺点同样扎眼：非常脆，大面积成型困难、因此无机固态电解质现在大部分应用于小容量的薄膜电池、心脏起搏器等领域。

而聚合物固态电解质，从1973年开始研究到现在，已经步入了实用化阶段。聚合物固态电解质由聚合物基体和锂盐两部分组成，其中最具代表性的当属聚环氧乙烷聚合物固态电解质。聚合物固态电解质不但拥有无机固态电解质的优点，而且相比无机固态电解质，它柔性更强，易加工，应用前景更广阔。

3中国研制“刚柔并济”固态聚合物电解质，打破日本垄断

对于深海探测设备来说，传统的聚环氧乙烷聚合物固态电解质存在室温下离子电导率低、电化学窗口窄以及力学强度差等诸多缺点，且单一聚合物电解质无法满足高性能二次电池的要求，因此研究与开发综合性能（高室温锂离子电导率、宽电化学窗口、高力学强度和杨氏模量）优异的固态电解质体系是系统提升固态锂电池性能的核心和瓶颈问题。

为了解决这一难题，中国科研人员制备出多款综合性能优异的常温固态复合聚合物电解质，其特点可以用“刚柔并济”四个字概况。

（中科院青岛能源所研制的“青能-Ⅰ”固态电池）

“刚柔并济”的“刚”是指刚性多空骨架支撑材料，如纤维素无纺膜、尼龙无纺膜、聚酰亚胺多孔膜、聚芳砜酰胺无纺膜和海藻酸盐无纺膜等，它能为电解质提供力学强度和安全性。

“柔”是指柔性离子传输材料，如脂肪族聚碳酸酯材料、氰基丙烯酸酯等，它能提供高离子电导率和界面稳定性。

“并济”是指刚性材料和柔性材料通过酸碱相互作用，构建高效、快速界面离子传输通道，提高电极/电解质界面相容性，以及尺寸热稳定性，最终实现综合性能大幅提高。

对于深海供电来说，还得考虑另外一个问题，那就是压强。

海水深度每增加10米，物体在水中所承受的压力就增加一个单位的大气压强，因此要想在万米深渊为科考设备提供稳定的电力供应，电池就必须要承受巨大的压力。

传统的商品锂离子电池采用液态电解液体系，在承受深海压力的情况下形变比较大，很容易短路发生爆炸，而在新型的电源系统中，电池采用聚合物固态电解质技术，它的高分子体系具有很好的机械强度，电池的耐受压能力明显增强。

考虑到海水高盐特性带来的强烈腐蚀作用和海水导电容易带来电路短路的危害，科学家们采用硅油浸泡的方式对电池进行了进一步的保护。

为了保证电源系统芯片和电路板在万米深海的正常工作，新型固态电池系统还配备了压力缓冲球，来实现深海高压的平衡。

当海水压力不断增加的情况下，相应的压力会压到（通过）下面的缓冲球，将硅油压到相应的电源系统中去，这样系统上表面压力就可以得到一个缓冲（平衡），这相当于多了一个充油耐压的装置。

这次研制出的室温聚合物固态电解质在2017年随科考队远赴马里亚纳海沟为“万泉”号着陆器控制系统及CCD传感器提供能源时，成功支持完成9次下潜，深度均大于7000米，其中6次超过10000米，累计水下工作时间134小时，最大连续作业时间达20小时。这跟之前采用的银锌电池续航只有6小时、能量密度低于60Wh/kg，连续充放电50次便“寿终正寝”相比是个极大的进步。

（“青能-Ⅰ”固态电池设备参航证书）

运用固态聚合物电解质的全海深锂电池动力系统之前全世界只有日本一个国家掌握，因此这次试验成功也意味着中国打破日本的技术封锁，成为世界上第二个成功应用该技术的国家。

自主深海探测装备研制已经成为国家重大战略需求，高能量密度深海动力电源技术是限制深潜器长续航能力的瓶颈，目前能够承受100 MPa 压力全海深电源技术只有日本掌握。近年来，我国在深海动力电池领域获得了显著成果。其中，“十五”期间国内发展了充油耐压银锌电池技术，并在深潜器“蛟龙”号载人潜水器上得到应用，潜水深度7000米，续航时间为6小时。然而银锌电池的能量密度较低（低于60 Wh/kg ），使用寿命较短（50次），因此不能满足11000米全海深海域长续航能力领域的应用要求。

与银锌电池相比，锂离子电池在能量密度和安全性等方面表现出了明显优势，商品化单体能量密度目前最高达到180 Wh/kg 。但是采用有机电解液的锂离子电池，当发生过度充电或者内部短路等异常时，易挥发易燃的有机电解液可能会导致热失控，在3000米海深以下此问题更为凸显，发生爆炸等安全事件的概率增大。而采用固态电解质代替液体电解液，可以使电池能量密度达到400 Wh/kg ，是商品锂离子电池的2倍以上，银锌电池的6倍以上，同时有效克服了热失控等安全风险，满足深潜器长续航、高安全的要求，能够为深海空间站和深海机器人提供充足的能源动力。

在中国科学院纳米专项和科技促进发展局深海电源项目支持下，以中国科学院青岛生物能源与过程研究所国家杰出青年基金获得者崔光磊为首的研发团队坚持源头创新，针对传统聚环氧乙烷（PEO）室温离子导电率较低、电位窗口窄的瓶颈问题，从电解质分子结构与离子电导率的构效关系出发，深入研究了离子传输机理与压力耦合的多尺度科学问题，创新发展了综合性能优异的“刚柔并济”的复合聚合物固态电解质；同时系统分析固态锂电池热-电-应力多物理场耦合因素，发展固态电池跨尺度关联理论；在源头创新的基础上，创新开发了金属锂界面修饰技术和界面原位修复技术；在中科院深海科学与工程研究所的大力支持下，“陆”“海”强强联合攻克全海深固态锂电池模块、系统集成等关键工程技术问题，研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统。

该系统具有高安全、长续航、全海深等特点，是长续航深潜器的理想动力。该团队开发的第一代大容量固态聚合物锂二次电池（青能-Ⅰ）以三元材料和金属锂为正负极，经第三方权威检测能量密度超过250 Wh/kg ，500次循环容量保持80%以上，在多次针刺和挤压等苛刻测试条件下保持非常好的安全性能。截至目前，青岛能源所崔光磊团队开发的固态锂二次电池（青能-Ⅱ）的技术获得突破，能量密度已高达300 Wh/kg ，是商品化锂离子动力电池的2倍，银锌电池的5倍。

1月15日至3月23日，青岛能源所开发的固态电池系统（青能-Ⅰ）随中科院深海所深渊科考队远赴马里亚纳海沟（科考航次TS03），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，深度均大于7000米，其中6次超过10000米，最大工作水深10901米，累计水下工作时间134小时，最大连续作业时间达20小时，顺利完成万米全深海示范应用，这标志着中国成为继日本之后世界上第二个成功应用全海深锂二次电池动力系统的国家，标志着中科院“陆海融合”突破全海深电源技术瓶颈，掌握全海深电源系统的核心技术。

以上成果获得了“国家杰青”“中科院纳米专项”“所135”“中科院深海电源专项”“青岛市储能基金”等项目支持。 

固态锂电池采用固态电解质代替液体电解液，可以使电池能量密度达到450 Wh/kg以上，是商品化锂离子电池的2.5倍，同时有效克服了热失控的安全风险，具备高安全高能量密度的显著优势。

在中国科学院深海电源项目和中科院纳米先导项目的大力支持下，中科院青岛能源所崔光磊团队坚持源头创新，从电解质分子结构与离子电导率的构效关系出发，深入研究离子传输机理与压力耦合的多尺度科学问题，创新发展了综合性能优异、刚柔并济的复合聚合物固态电解质，并开发了金属锂界面修饰技术，研制出全海深高能量密度高安全固态锂电池动力系统。新研发的大容量固态聚合物锂电池“青能Ⅰ号”经第三方检测，能量密度超过250瓦时/千克，500次循环容量保持80%以上，在多次针刺和挤压等苛刻测试条件下保持非常好的安全性能，有效克服了液态锂电池容易热失控的安全风险，可满足深潜器长续航、高安全的要求，能够成为国家大力发展的深海空间站理想的能源动力。升级换代的固态锂电池“青能Ⅱ号”的能量密度经第三方权威检测已高达300瓦时/千克，通过了国家电源检测中心的系统的权威检测。同时正在开发第三产品“青能Ⅲ号”，能量密度超过385瓦时/千克，该能量密度是商品化液态锂电池的2倍以上，可以大幅提高深潜器和电动车续航能力。

青岛能源所全海深固态锂电池完成万米海试示范应用