下一代軍事應(yīng)用中的高級主要便攜式電源要求

理想的電池將為應(yīng)用提供充足的電力，提供較長的貨架和使用壽命，承受極端環(huán)境，并且可以安全處理和使用。問題在于實(shí)現(xiàn)這些不同的理想操作特性所需的權(quán)衡取舍。在下一代軍事應(yīng)用中提供充足的功率需要比目前消費(fèi)電子產(chǎn)品中通常使用的電池更高的能量和功率密度。例如，一些軍用電池使用有毒或危險(xiǎn)化學(xué)品來實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，使其不適合某些應(yīng)用。其他的可能能夠在較長的使用壽命內(nèi)提供安全操作，但僅適用于低電流應(yīng)用。

以下討論探討了能量密度的問題，包括重量和體積，以及現(xiàn)有的原鋰電池如何在士兵和無人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)的下一代軍事應(yīng)用中堆積起來。這里對一次電池的獨(dú)家關(guān)注 - 包括二氧化硫，二氧化錳，聚碳一氟化物和氟化碳 - 并不意味著降低可充電電池日益增長的重要性;相反，它是將專題的范圍限制在可以足夠深入地涵蓋的范圍內(nèi)。

減輕負(fù)載

當(dāng)今士兵攜帶越來越多的高科技設(shè)備，如先進(jìn)的士兵系統(tǒng)，下一代無線電以及成像和傳感系統(tǒng)，負(fù)擔(dān)越來越大。根據(jù)任務(wù)的不同，士兵裝備的總重量從28到超過70公斤（kg），或60到超過130磅不等。為電子設(shè)備供電所需的電池通常占總負(fù)載的約15%至30%。由于電池必須持續(xù)整個(gè)任務(wù)，士兵通常需要攜帶備件（或使用可充電電池時(shí)的充電系統(tǒng)）。

小型或微型無人機(jī)系統(tǒng)（UAS）也存在類似的情況，其中電池需要為電機(jī)，控制器，無線電和成像設(shè)備供電。與士兵一樣，電池必須持續(xù)整個(gè)任務(wù)時(shí)間。當(dāng)然，電池的允許重量因車輛類型而異，但通常設(shè)置為使用現(xiàn)有類型的電池時(shí)，任務(wù)持續(xù)時(shí)間在30分鐘到2小時(shí)之間。

這些重量和電池持續(xù)時(shí)間限制的解決方案是使用更輕的電池。通過將能量密度加倍，給定持續(xù)時(shí)間的任務(wù)所需的電池組重量可以減半。或者，具有相同尺寸和重量的電池組具有兩倍的能量密度，可以使任何任務(wù)的持續(xù)時(shí)間增加一倍。除了目標(biāo)獲取任務(wù)外，這在遠(yuǎn)程偵察和監(jiān)視中特別有價(jià)值，因?yàn)樵谶h(yuǎn)程偵察和監(jiān)視中，高空飛行時(shí)間可能決定成敗。

當(dāng)然，將能量密度提高一倍說起來容易做起來難，這就是為什么對于當(dāng)今軍事應(yīng)用中使用的兩種最受歡迎的商用現(xiàn)成電池類型來說，這一目標(biāo)仍然難以實(shí)現(xiàn)：鋰/二氧化硫（Li / SO2）和鋰/二氧化錳（Li / MnO2）。雖然這些電池具有200-250瓦時(shí)/千克（Wh / kg）的相似能量密度，但它們的體積能量密度分別在350-450瓦時(shí)/升（Wh / l）和500-650 Wh / l時(shí)不同。請注意，由于能量密度隨用于不同應(yīng)用的不同外形尺寸而變化，因此此處使用的范圍描述了需要中到高安培數(shù)的應(yīng)用中電池的典型值。

在重量是一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮因素的應(yīng)用中，二氧化硫和二氧化錳電池共享的相似重量能量密度既沒有優(yōu)勢。但是，由于其他原因，二氧化錳電池越來越受歡迎，包括它們比加壓二氧化硫電池的安全性更高。在電池可用空間有限的應(yīng)用中，二氧化錳電池具有更大的優(yōu)勢，體積能量密度提高了40%。

例如，在BA-5X90 / U電池組中，二氧化錳增加的體積能量密度可提供約11.5安培小時(shí)（Ah）的服務(wù)，而二氧化硫約為7.5 Ah。但問題仍然存在：本例中的11.5 Ah電池明顯重于7.5 Ah電池（約為1.35 kg或48盎司，而1.0 kg或36盎司），因?yàn)閮烧叩闹亓磕芰棵芏认嗨?。?比較和對比了二氧化硫和二氧化錳電池，以及聚碳一氟化物和氟化碳電池，這將在下一節(jié)中討論。（該表還顯示了氯化亞砜（Li / SOCI2）電池，也用于某些軍事應(yīng)用。

表 1：比較本討論中涉及的四種類型的電池 - 二氧化硫，二氧化錳，聚碳一氟化物和氟化碳 - 以及鋰/亞硫酰氯（Li / SOCl2），它也用于一些軍事應(yīng)用。

先進(jìn)的氟化碳電池

鋰/聚碳單氟化物或Li/（CF）n電池自20世紀(jì)70年代以來一直存在，傳統(tǒng)上用于高能量，低功耗應(yīng)用，如存儲(chǔ)器備份系統(tǒng)。然而，在對更好電池的永無止境的追求中，一項(xiàng)新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，成為傳統(tǒng)Li / （CF）n電池的分支：鋰/碳氟化物（Li / CFx）電池。氟化碳電池保持了二氧化硫電池中高能量和功率密度，寬工作溫度范圍和長保質(zhì)期的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用固體陰極（不含重金屬或其他有毒物質(zhì)）以消除安全和環(huán)境問題（再次見表1）。此外，氟化碳電池不具備其他一些電池所表現(xiàn)出的操作問題，例如鈍化。

最重要的是氟化碳電池的重量和體積能量密度更高，分別》600 Wh / kg和700-1000 Wh / l，與本文討論的其他電池相比。如圖1所示，在某些配置中，重量和體積能量密度的改進(jìn)可能比前面提供的保守估計(jì)值更大。

圖 1：這種對不同類型電池（除堿性電池外）的重量法和體積能量密度的比較證明了氟化碳提供的優(yōu)勢。

在軍用無線電和其他系統(tǒng)中常用的BA-5X90 / U電池組中，這種流行電池的氟化碳版本應(yīng)該能夠使該電池的工作時(shí)間增加一倍以上 - 同時(shí)重量與該產(chǎn)品的傳統(tǒng)二氧化硫版本大致相同。

氟化碳電池的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其在功率密度和最大安全電流消耗方面都能夠超過二氧化錳和聚碳一氟化物電池等。圖2中的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果顯示，高電流應(yīng)用提高了8倍，低電流應(yīng)用提高了近2倍。這使得氟化碳電池特別適合需要高持續(xù)電流或脈沖電流的應(yīng)用。

圖 2：這些測試結(jié)果顯示了三種不同尺寸的2016年紐扣電池在三種不同放電速率（至2.0 V）下的可用容量，量化了氟化碳電池在低、中、高放電速率下功率密度的改善。

與其他鋰基原電池一樣，氟化碳電池可以包裝成各種外形尺寸，包括紐扣電池、電池片、薄膜電池或棱柱形電池。這使得氟化碳電池能夠適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸和定制電池組（串聯(lián)和/或并聯(lián)組合電池，以滿足在6至30 V的典型軍用范圍內(nèi)運(yùn)行的特定需求）。

其他“重量級”設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

氟化碳電池在其他方面如何與其他電池類型相媲美？如前所述，表 1 列出了大多數(shù)應(yīng)用程序中重要的詳細(xì)信息。僅使用固體材料和無毒電解質(zhì)使氟化碳電池比二氧化硫電池更安全，特別是在那些消耗高持續(xù)電流的應(yīng)用中，二氧化硫電池可能會(huì)過熱和失效。固體材料消除了對可能排放或泄漏腐蝕性或有毒氣體的加壓罐的需求，即使處理不當(dāng)或損壞或發(fā)生短路情況，氟化碳電池也能安全使用。這顯然是士兵特別關(guān)注的問題，但即使是武器和無人駕駛車輛中使用的電池在運(yùn)輸和更換過程中也必須處理。

工作溫度范圍不是士兵的一個(gè)因素，但可以是武器和監(jiān)視系統(tǒng)的因素。在這里，氟化碳電池技術(shù)也比二氧化錳和二氧化硫都有所改善。事實(shí)上，碳氟化物電池的工作溫度范圍，如Contour能源系統(tǒng)先進(jìn)的氟電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了當(dāng)今軍事應(yīng)用的要求。

不僅如此，憑借其更高的重量和體積能量密度以及本討論中描述的其他屬性，Contour能源系統(tǒng)的氟化碳氟電池比二氧化錳和二氧化硫電池具有更長的使用壽命。同樣重要的是，這些電池系統(tǒng)還提供了更長的保質(zhì)期 - 比二氧化錳或二氧化硫電池長50%。

審核編輯：郭婷