为贯彻落实国家海洋强国战略部署,加快建设我国“透明海洋”技术体系,2016年科技部启动国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项,重点突破11000米全海深潜水器研制。中国船舶712所凭借在深海锂离子电池关键材料与总体技术积累,在多家项目申请单位中脱颖而出,承担全海深载人潜水器关键技术之一“全海深高能量密度锂离子电池”项目,着力破解全海深载人潜水器动力关键技术。
深海锂离子电池在工作时需要承受万米水压,面临的最大难点就是耐压问题,而问题的解决有赖于长年的基础理论研究。项目组成员从原子级别的耐压机理研究出发,突破自身的专业局限,以理论科学模拟计算作为电池耐压性设计的支撑,并在仿真与验证之间探寻细微差别,以求得耐压结构的科学设计。
在多项关键部件的设计、电池系统的集成、安全性等方面科学评估的前提下,深海电池团队大胆假设与小心求证,不气馁、不放弃,从基础研究、共性技术、系统集成与应用进行全链条创新设计,做到合理科学。
关键技术获得突破
11000米深海电池是“奋斗者”号万米载人潜水器的关键技术之一,提供潜水器运行所需电力。当时国内尚无满足11000米深海压力的电池,国外也无公开可借鉴的相关研究经验。万米载人深海潜水器的研制是国际深海前沿技术的里程碑,对于我国海洋强国战略至关重要。深海电池作为深潜器唯一的能源系统,为其设备、仪表和任务载荷提供电源。
深海锂离子电池应用于全海深压力环境,最大的环境压力可达115MPa,相当于每平方厘米约指甲盖大小的面积需承受1189Kg的压力,储存能量要求一般在几十千瓦时以上,且系统复杂程度高。
在电池单体、管理系统、缩比样机以及工程样机等研制对象的设计与115MPa验证试验中,深海电池团队历经1500多个日夜,终于攻克了万米主蓄电池、副蓄电池以及备用蓄电池的诸多关键技术。据相关文献报道,国外深海锂离子电池工作深度有4500米级和6500米级的,而国产深海锂离子电池的工作深度可以达到11000米级。
实际应用安全稳定
如何保证在深海高压环境下作业安全万无一失,这是摆在712所深海电池团队面前的技术难题。深海电池技术涉及电化学、力学、电子学、材料学以及仿真学等多学科技术,各个部件的耐压性能设计与验证是电池安全性、可靠性的关键。
全海深高能量密度锂离子电池的安全性、可靠性经过了充分的科学论证,其研制成功,首先回答了深海电池基础理论问题,其次解决了共性技术,再到系统集成,系统性提高了我国深海电池设计、制造以及试验等方面能力,填补了我国全海深潜水器用锂离子电池空白。
研发团队在深海电池技术应用推广方面取得不俗成绩。2020年6月8日,由中科院主持研制的“海斗一号”全海深自主遥控潜水器,采用的电池组正是深海电池团队所研制的万米深海电池系统!目前,该项目团队已完成国内多家万米无人潜器研制单位对深海电池的定购需求,一揽子解决了多种万米无人潜器的深海电池难题。
2020年7月1日,代表着我国最新深海科技水平的“奋斗者”号出海,于8月完成南海海试。10月10日,再次整装出发,远赴马里亚纳海沟开启深海航次试验,至11月19日,“奋斗者”号成功完成13次深海科考作业,其中8次下潜突破万米,同时全面验证了712所深海电池的安全可靠性。
2020年11月28日,在马里亚纳海沟结束科考任务的“探索一号”科考船,在三亚南山港码头靠泊下锚,成功实现10909米坐底记录的“奋斗者”号随船胜利返航。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺信,致以热烈的祝贺。10909,让我们记住这个数字和它背后默默奉献付出的每一位奋斗者。中国船舶712所将继续弘扬科学精神,奋力前行,勇攀深海科技高峰,再做新贡献!