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作者

趙耀華、李楠、謝科予、王釧、周思思、張祥功、葉聰

機構

西北工業大學、武漢船用電力推進裝置研究所、中國船舶科學研究中心

Citation

Zhao Y H, Li N, Xie K Y, Wang C, Zhou S S, Zhang X G, Ye C. 2025. Manufacturing of lithium battery toward deep-sea environment. Int. J. Extrem. Manuf.7022009.

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https://doi.org/10.1088/2631-7990/ad97f6

撰稿 | 文章作者

1. 文章導讀

深潛裝備作為挺進深海、水下研究及經略海洋的關鍵利器與重要平臺，其水下作業能力的發揮直接取決于深海電池這一核心動力保障。有別于常規電池應用環境的一般性，深海極端環境（高壓、低溫、海水導電等）賦予了深海電池設計制造的特殊性，涉及電能生成、電池保護、電力分配及電池管理各方面的系統考量。此外，深海電池能量密度、循環性能以及倍率性能等性能指標的提升對于延長深潛裝備水下潛伏周期、擴展巡航里程與增強水下作業能力是關鍵的基礎保障和重要的發展前提。深海電池歷經數代發展，逐漸由初代的鉛酸電池向如今具有更高綜合服役水平的鋰電池發展轉變。深海鋰電池具有更高的能量密度、更低的運行風險以及更為靈活的設計余量，對于實現深潛裝備“更深、更久、更強”發展新階段具有重大的歷史推動作用。

近期，西北工業大學材料學院謝科予教授、武漢船用電力推進裝置研究所張祥功研究員、中國船舶科學研究中心葉聰研究員，與其合作者在SCI期刊《極端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上共同發表了題為《Manufacturing of Lithium Battery toward Deep-Sea Environment》的綜述。該文章首次系統介紹了深海電池的設計制造，展示了深海電池在深海極端環境中應用的特殊性，包括電池電化學體系發展、深海電池保護設計、電力配置及管理，并著重指出了當下深海鋰電池對于發展水下裝備的顯著優勢及其廣泛應用。基于此，系統討論了發展深海鋰電池在材料遴選、器件優化與測試，以及深海電池管理系統諸方面的研究進展（如圖1所示），探究了突破當前相關研究困境的創新性解決策略，并展望了深海電池未來發展新方向及其對于推動極端環境研究與應用的前瞻性與先導意義。

圖1深海鋰電池的系統性設計制造。

2. 圖文解析

本綜述系統性展示了深海電池的設計制造全貌，揭示了其技術特征。以往研究多聚焦于深海電池的實際裝備應用，缺乏系統性展示。本文通過展示深海電池電化學體系、保護設計、電力分配及管理，勾勒出深海電池的主要技術特征。本綜述指出了深海電池從鉛酸電池逐步升級過渡為鎳鎘電池、銀鋅電池，并逐漸轉變為現今主流的鋰電池。文章介紹了壓力艙式和壓力補償式兩種保護構型，對比了兩種構型對電池性能的影響。

此外，展示了深海電池的輸出特征以及模塊化設計，并介紹了深海電池管理系統對于維護深海電池安全，提高深海電池使用效率的重要性。鑒于深海鋰電池憑借更高的能量密度、更長的循環壽命和更低的副反應程度成為當下深海電池主流，本文通過總結其在深潛裝備譜系化發展中的成功實踐（如圖2所示），進一步明確了其對深潛裝備發展的歷史進步意義及巨大潛力。

圖2深海鋰電池應用下的深潛裝備譜系化發展。（a）2.5 kW h深海電池；（b）25 kW h深海電池；（c）110 kW h深海電池；（d）35 kW h深海電池；（e）“海斗號”深潛器；（f）“海斗一號”深潛器；（g）“奮斗者號”深潛器；（h）“思源號”深潛器。

深海鋰電池作為多層級能源系統，對于深海極端環境應用具有不同層級的系統考量。文章展示了深海鋰電池在關鍵材料遴選、器件優化設計及測試，以及深海電池管理系統等方面的研究進展和相關問題討論。

深海鋰電池材料 深海超高水壓顯著增加了力學因素對電池電化學反應的影響，亟需力-電化學模型對深海電池應用材料進行更加全面的評估和闡釋。尤其在追求更高輸出電壓、更大輸出電流以及更深服役深度的發展趨勢下，厘清其力-電化學演化規律至關重要（如圖3所示）。通過展示正極、負極材料在不同水壓下的力-電化學特征變化，指出了深海水壓對于電化學反應的顯著干預作用及相應的改性策略。對于深海鋰電池，正極、負極與電解質自身及其界面的力-電化學特征是衡量其服役性能的重要指標。即使材料理論機械強度高于深海水壓，電化學反應導致的局部機械損傷或枝晶生長仍可能降低結構穩定性，在深海超高水壓的驅動下引發電池力-電化學性能失效。

圖3不同應用條件下電池電極材料的力-電化學模型特征。（a）倍率條件；（b）電壓條件；（c）壓力條件。

深海鋰電池器件 深海鋰電池電芯通常設計為方形電池、柱狀電池以及層狀電池以適應不同形狀的深潛裝備來提高深潛裝備的空間利用率。對于直接承壓式設計，深海電池電芯及其它電子元器件都處于油浸式環境，需要承壓外界壓力。相較而言，由于更佳的熱分散能力以及輕量化設計，直接承壓式深海鋰電池更傾向于層狀電池應用。對于外界超高靜水壓力，層狀電池需要實現超凈組裝氣氛、封裝參數調整以及優化等強化措施。此外，各電子元器件也面臨外界超高壓力，同樣要求消除電子元器件的內外壓差以實現深海環境中的結構穩定性（如圖4所示）。由于深海電池服役于深海環境的特殊性，其性能檢測包括器件組裝、液壓艙測試及海試等檢測步驟（如圖5所示），以確保深海電池實際服役的安全可靠。

圖4深海應用中的硬殼封裝式電子元器件和壓力補償式電子元器件。（a）硬殼封裝構型；（b）涂層構型；（c）壓力導致的硬殼封裝式電子元器件損傷；（d）壓力補償式構型；（e）壓力補償式鍵合型器件；（f）壓力補償式壓接型器件。

圖5深海電池測試。（a）深海電池組裝；（b）深海電池壓力腔測試；（c）深海電池海試；（d）壓力下深海鋰電池性能變化；（e）不同壓力下深海鋰電池的循環伏安曲線；（f）不同倍率和壓力條件下深海鋰電池的放電曲線；（g）壓力下深海電池的性能變化；（h）溫度及放電條件對深海電池的影響。

深海鋰電池電池管理系統 深海鋰電池電池管理系統構型設計一般與深海鋰電池分布相適應，主要分為集中式與分布式設計，對于不同的電池管理效率和電池設計復雜程度應選擇不同的電池管理系統設計。通過采集深海鋰電池運行中的電池電壓、電流密度以及荷電狀態等參數，比較不同的參數預測模型的準確度。對于壓力艙式深海鋰電池，發展了相關的液態、固態散熱介質用于提升電池熱管理效率，其具體涉及到分別調控熱管理系統的各項設計參數（如圖6所示）。相比而言，壓力補償式深海鋰電池管理系統要求電池管理系統還應具有抗外壓力能力，需要更為復雜和周到的設計考慮。

圖6深海電池電池管理系統設計參數優化。（a）液相冷卻系統設計；（b）液相冷卻系統仿生管道；（c）管道形狀；（d）冷卻液流速；（e）冷卻液流向：及（f）動態操作策略對深海電池熱管理的影響。

3. 總結與展望

盡管深海鋰電池展現出獨特的技術優勢和巨大的發展潛力，其依然面臨著不小的發展難題。考慮到深海電池輕量化和小型化設計的發展優勢，通過引入結合柔性電池及3D打印等電池制造新技術，為深海電池制造提供更多的開發渠道與發展思路。對于深海鋰電池能量密度的有限性，其依然需要返程，降低了深潛裝備的作業效率和任務規劃量。因此，發展水下充電站可以有效延長深潛裝備的任務周期，增強深潛裝備集群的配合度，促進水下交通網建設。此外，通過抓取海洋環境能量（風能、潮汐能等），進一步增強水下交通網絡的可靠性以及深海裝備動力能源補充的便捷性。

深海鋰電池作為促進深潛裝備發展新階段的中堅力量，具有巨大的發展潛力，也包括亟待解決的科學技術問題。對于解決、發展極端環境能源應用不僅起到了壓艙石作用，對于促進極端環境探索開發同樣具備重要的研究先導作用和歷史進步意義。期待在未來的極端環境能源發展中，揭示闡釋更多新現象及新原理，推陳出新更多新裝備及新應用，推動科學技術和社會生產的進一步發展與進步。

4. 作者與團隊簡介

葉聰

中國船舶科學研究中心

葉聰，中國船舶集團有限公司第七〇二研究所研究員、歷任“蛟龍號”載人潛水器主任設計師、首席潛航員、“深海勇士號”載人潛水器副總設計師、全海深載人潛水器總設計師、“奮斗者號”載人潛水器總設計師、萬米海試總指揮。

謝科予

西北工業大學

謝科予，西北工業大學材料學院教授、博導，“特種化學電源及其關鍵材料”陜西省科技創新團隊負責人；先后主持/完成國家重點研發計劃國合專項、國家自然科學基金聯合重點項目等，發表《Nature Communications》《Advanced Materials》等期刊論文130余篇，獲省部級一等獎等。

張祥功

武漢船用電力推進裝置研究所

張祥功，中國船舶集團有限公司第七一二研究所研究員、全海深鋰電池系統主任設計師，長期從事特種電池技術研究與應用開發工作。

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關于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《極端制造》），簡稱IJEM，致力于發表極端制造領域相關的高質量最新研究成果。自2019年創刊至今，期刊陸續被SCIE、EI、Scopus等20余個國際數據庫收錄。JCR最新影響因子16.1，位列工程/制造學科領域第一。中科院分區工程技術1區。入選中國科技期刊卓越行動計劃二期英文領軍期刊。

期刊網址：

https://iopscience.iop.org/journal/2631-7990

http://ijemnet.com/

期刊投稿：

https://mc04.manuscriptcentral.com/ijem-caep

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撰稿：作者 編輯：梁煜 審核：范珂艷 關利超

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