Литий-ионные аккумуляторы для подводных лодок
Ōryū — первая в мире боевая подводная лодка, оснащенная только литий-ионными батареями.
5 марта 2020 года на военно-морской базе в Кобе префектуры Хёго на подводной лодке «Орю» был поднят флаг Морских сил самообороны Японии. На первый взгляд, это событие не кажется особо важным, учитывая, что это не новый тип корабля, а еще один в серии кораблей класса «Сорю». Однако «Орю» — первая в мире обычная боевая подводная лодка, использующая литий-ионные аккумуляторы, которые являются единственным «хранилищем» электроэнергии.
Упомянутый во введении Ōryu (SS 511) является предпоследним, одиннадцатым кораблем класса Sōryu (16SS) и в то же время первым из последней пары, известной как Sōryu Mk II (27SS). Входил в состав 1-й флотилии подводных лодок, базирующейся в Куре, префектура Хиросима. Он был построен на верфи Mitsubishi Heavy Industries (MHI) в Кобе как шестой корабль этого типа, построенный на предприятии. Закладка киля состоялась 16 ноября 2015 г., а спуск на воду — 4 октября 2018 г. Стоимость строительства корабля составила 66 млрд иен (примерно 536,7 млн долларов США). Для сравнения, строительство более ранних моделей со свинцово-кислотными батареями (Pb или LAB — Lead Acid Battery) обошлось в 502 миллиона долларов США. Литий-ионные элементы нового поколения (Li-ion или LIB – Lithium Ion Battery) нашли свое применение не только в полостях аккумуляторных батарей Ōryū, ранее заполненных свинцовыми аккумуляторами, но и в отсеке, ранее занимаемом четырьмя внутренними V4-275R Stirling. двигатели внутреннего сгорания производства Kawasaki-Kockums, работающие по замкнутому контуру, независимому от доступа атмосферного воздуха (AIP, air Independent Propulsion).
Появление Ōryū — это прорыв в строительстве обычных подводных лодок, сравнимый с внедрением движителя AIP, но и начало дискуссии о безопасности этого решения.
5 марта 2020 года, военно-морская база Кобе. Поднятие флага Морских сил самообороны Японии на подводной лодке «Орю».
Батареи на подводных лодках
Интенсивная эксплуатация подводных лодок (АП) в максимально сложных условиях означает, что все их устройства и системы должны функционировать исправно и, главное, надежно. Из большого количества систем, установленных на каждом из них, особого внимания с точки зрения безопасности судоходства заслуживает двигательная установка, включая ее подсистемы, отвечающие за выработку и хранение электроэнергии. В случае обычных ОП особенно важна последняя подсистема.
Свинцовые батареи, применявшиеся до сих пор на подводных судах, были изобретены французским физиком Гастоном Планте в 1859 г., а уже в 1888 г. поляк, инженер Стефан Джевецкий, признанный одним из пионеров подводной навигации, представил конструкцию первого в мире ПВО электр. Первой подводной лодкой, построенной для использования энергии аккумуляторов для навигации в подводном положении, стала USS Holland (SS 1), спроектированная ирландцем Джоном Филипом Холландом и спущенная на воду 17 мая 1897 года.
Учитывая время, прошедшее после этого события, неудивительно, что технология свинцовых элементов в настоящее время считается «исчерпанной», без возможности дальнейшего значительного развития. Когда дело доходит до разработки гальванических электрохимических элементов, интересно, что производимые в настоящее время батареи этого класса имеют емкость всего на 10% больше, чем элементы, выпущенные почти три десятилетия назад. Идя по этому пути, получается, что этот параметр не сильно увеличился со времен Второй мировой войны и принятия на вооружение Кригсмарине революционных электроботинок Тип XXI.
Электрохимическими элементами нового поколения для ОП-приложений являются уже упомянутые литий-ионные аккумуляторы. Представление литий-ионных аккумуляторов в контексте новизны может показаться удивительным, тем более что в нашей повседневной жизни уже более трех десятков лет нас окружают устройства, работающие на них, но для подводных людей это фактически революция.
В начале стоит вспомнить, что такое литий-ионный аккумулятор. Это ячейка, в которой один из электродов изготовлен из пористого углерода, а другой — из оксидов металлов. Чаще всего отрицательный электрод (анод) делают из графита, а положительный электрод (катод) — из одного из трех материалов: оксида кобальта с ионами лития, фосфата лития-железа или оксидов лития-марганца. Роль электролита играет жидкость, содержащая смесь органических карбонатов, таких как диоксолан (этиленкарбонат) или диэтилкарбонат, содержащие ионные соединения. Его разнообразный состав может содержать более или менее вредные химические соединения, в том числе LiPF₆, т.е. гексафторфосфат лития или LiBOB-бис(оксалат)борат лития. Электролит также может быть в форме твердого вещества или геля, например, в литий-полимерных (LiPo) элементах.
Важнейшими характеристиками литий-ионных аккумуляторов, делающими их пригодными для использования в ОП, являются, среди прочего, емкость и плотность энергии, в 10-12 раз превышающие показатели свинцовых аккумуляторов, а также величина процесса саморазряда при уровень ок.1,5 более чем наполовину, 2–5% в месяц (по сравнению с >672% для более старых клеток). Отсутствие выделения водорода во время зарядки также важно для приложений OP. Здесь уместно напомнить, что одним из основных параметров, характеризующих электрохимические элементы, является, помимо емкости (Ач) и запасенной энергии (Втч), объемная и гравиметрическая плотность запасенной энергии (Втч/дм³ и Втч/кг соответственно). Они описывают количество энергии, накопленной клеткой, по отношению к ее объему и массе соответственно. Еще одной особенностью, которую невозможно переоценить в плотно упакованных различных системах корпусов ОП, является то, что литий-ионные элементы также намного легче и могут иметь практически любую форму, что облегчает их позиционирование. Благодаря разветвленным системам управления они могут постоянно заряжаться высоким током, что позволяет сократить время их регенерации как при ходьбе по поверхности, так и при погружении в храп. Представители Военно-морских сил самообороны Японии утверждают, что 80 литий-ионных аккумулятора на Ōryū можно зарядить до 84% от их номинальной емкости всего за 162 минуты (для старых аккумуляторов это было XNUMX минуты). Дополнительным преимуществом по сравнению с «кислотой» является тот факт, что при высокой нагрузке емкость Pb-ячеек быстро падает, в то время как у Li-ion этого недостатка нет, и с учетом этого командир может оптимально планировать действия корабля под водой в любой момент времени. скорость.
В настоящее время для судостроения доступны два поколения литий-ионных аккумуляторов. Самыми старыми являются, среди прочего Литий-никель-кобальт-алюминиевые батареи, известные как NCA (LiNiCoAlO₂), литий-железо-фосфатные LFP (LiFePo₄) и литий-титановые LTO (Li₄Ti₅O₁₂). Представителями второго, улучшенного поколения являются литий-титановые аккумуляторы, содержащие ниобат TNO (TiNb₂O₇). Японская Toshiba особенно интенсивно работает над TNO, как и над батареями SCIB (Super Charge Ion Battery), прототип которых был представлен в выставочном зале Paris Euronaval 2018.
Идеально подходит для подводных лодок?
Хотя литий-ионные элементы уже много лет присутствуют в повседневных устройствах, их следует рассматривать как источник энергии с относительно низкой конструктивной зрелостью, менее безопасный, чем известные и разрабатываемые свинцовые батареи более 100 лет. С другой стороны, они их лучшая и пока единственная альтернатива.
Температура, как слишком низкая, так и слишком высокая, является фактором, снижающим производительность литий-ионных элементов. В то время как первые из них не имеют серьезных последствий, их перегрев может быть очень опасен. Следовательно, большой проблемой для инженеров является обеспечение оптимального и эффективного охлаждения. Интересно, что безопасное «окно» для работы Li-ion аккумуляторов находится в диапазоне напряжений от 2 до 4 В и температур от 0 до 80°С, оптимальная температура зарядки от 5 до 45°С. Каждая аномалия увеличивает вероятность необратимого повреждения элементов, а в случае повышения напряжения и температуры (>200°С) также может создать серьезную угрозу для жизни и здоровья экипажа. К наиболее катастрофическим последствиям при работе ЛИА может привести неконтролируемое повышение температуры внутри ячеек, приводящее к возникновению самоподдерживающихся экзотермических химических реакций. Они приводят к дальнейшему выделению еще большего количества тепла (цепная реакция) и в результате к явлению так называемого тепловой пробой аккумулятора, что привело к взрыву. В случае подводных лодок, у которых внутри батарейных отсеков хранится значительное количество элементов (в крайнем случае даже 300-400 тонн!), реакция в одном из них может очень быстро привести к перегреву в следующих и образованию вышеупомянутая каскадная реакция.
