科创中国
电池组成组与结构技术研究
成果类型：: 发明专利,实用新型专利
发布时间: 2022-09-26 22:06:01
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：“科创中国”高端装备产业科技服务团| 贡天媛 | 2022-10-09 18:00:30
开展充油耐压自平衡电池组结构、耐高液压锂离子电池分选与配组技术、充油热均衡设计、高强度轻质化结构技术、总体最优化设计等方面的研究，为全海深高能量密度锂电池提供高可靠性的成组与结构技术支撑；并结合其它课题技术攻关，完成60kWh 充油耐压锂电池组的制造，提供适用于全海深载人潜水器的产品。
制造的万米耐压电池组满足总容量≥60kWh（环境温度0～2℃），工作电压DC110V（-10%～+20%），最大工作电流≥350A，充电电流0.2C；电池组工作温度-10℃～+50℃，存放温度-20℃～+60℃，工作摇摆角度±60度。
1) 完成了充油耐压电池组高强度轻质化结构与热均衡技术研究，如图14所示，采用充油压力补偿结构、轻质材料、质量分布优化，完成了热源、热效应模型分析与验证试验，综合考虑内阻、容量、电压与深度的影响，突破了万米耐压锂电池组的集成技术。
2) 建立了多参数（内阻、容量、电压、深度）的电池组分选与配组规范。
3)完成了60kWh充油耐压锂电池组产品的研制，提供了适用于全海深载人潜水器的产品。
项目组累计完成12种类型共20组全海深锂离子蓄电池组工程样机的研制，装备了国内5家总体单位的7种型号深海潜水器，实现了国内主流深海潜水器电能源系统的全覆盖应用。结合不同应用场景，该项目的技术成果还将用于深海预置装备、深海信息簇、深海穿梭机的建设，助推我国深海装备体系发展，为我国深远海国家战略提供重要电能源保障。
全海深高能量密度锂电池是“奋斗者”号万米载人潜水器的核心关键技术，实现了我国深海锂电池的设计、制造以及试验等方面能力的跨越式发展，填补了我国全海深载人潜器用锂离子电池的空白，助力“奋斗者”号多次实现万米下潜并开展作业以及多次科考应用、创造了中国载人深潜新纪录以及成功向建党百年献礼。研究成果也在“海斗一号”全海深无人潜水器上得到了应用，对实现我国全海深无人潜水器在国际范围内由“并跑”到“领跑”的转变起到了重要作用。该项目取得的深海锂电池关键材料、电池单体技术、耐压轻质化结构技术、关键器件及管理系统、总体设计技术与评估方法、产品样机等诸多成果，将对我国加快建设“透明海洋”技术体系具有重要意义。该项目投入时间较长，未在产品化商业化实现规模销售。但该成果产品化商业化的材料采购成本与生产成本均可控，技术含量较高，与同类产品相比竞争优势较强。
研究团队由中国船舶集团有限公司第七一二研究所的二十余名专家组成，其中具有高级工程师以上职称的成员十五人。
研究团队开展了全海深高能量密度锂电池材料、电极设计与工艺、成组耐压结构、管理系统等方面的技术研究，实现了高稳定性电极、电解质与复合隔膜、电芯耐压结构与电化学性能匹配性、电池监测与管理系统、电池组成组与结构、电池安全性评估与控制等关键技术的突破，研制的电池组以满分成绩通过了马里亚纳海沟海试验收，在“奋斗者”号万米载人潜水器上得到应用。
本团队已申请发明专利19项，已授权11项，论文及国防科技报告15篇。
该项目在国际上首次开发了一种基于微观耐压设计与宏观验证的超高安全性电池产品，该产品的具体创新维度包含微观与宏观互相映射的两个方面。且实现了国内主流深海潜水器电能源系统的全覆盖应用。结合不同应用场景，该项目的技术成果还将用于深海预置装备、深海信息簇、深海穿梭机的建设，助推我国深海装备体系发展，为我国深远海国家战略提供重要电能源保障。
本项目研究从基础材料科学出发，结合系统的工程化研制出具备0~11000米全海深承压能力的高能量密度锂离子电池组，装备“奋斗者”号全海深载人潜水器完成海试试验应用，确立了我国在新一代深海电池的优势地位，提高了我国电池技术核心竞争力。
奋斗者”号成功拉开了人类对海斗深渊科考的序幕，将有越来越多不同类型的深海潜水器随之开发，深海潜水器的规模等级、用电功率、海底作业时间均将提升。随之要求深海电池组的能量密度、能量等级、输出功率、经济性均得到提升，具体按国内、国外产品发展趋势如下：
（1）国内全海深锂电池的发展趋势：高安全性、高能量密度（200Wh/kg）、宽输出功率（瓦级~百千瓦级）、高环境适应性（宽温域-20℃~55℃、全海深）、低成本。预计实现时间：2025年。
（2）国外全海深锂电池的发展趋势：高安全性、高能量密度（230Wh/kg）、宽输出功率（瓦级~兆瓦级）、高环境适应性（宽温域-20℃~55℃、全海深）、新应用场景研究（外星UUV）。预计实现时间：2025年。
期望与要求：
（1）加强全海深锂电池的原位研究平台的建设，着力解决全海深锂电池技术发展的基础问题；
（2）完善深海电池系统科学设计平台，缩短全海深锂电池系统的设计周期；
（3）建设全海深锂电池先进生产线，提高制造工艺水平和产品成熟度，降低规模化应用成本。
该项目投入时间较长，未在产品化商业化实现规模销售。但该成果产品化商业化的材料采购成本与生产成本均可控，技术含量较高，与同类产品相比竞争优势较强。
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