极端制造 | 探索深海：面向深海环境的锂电池制造

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作者

赵耀华、李楠、谢科予、王钏、周思思、张祥功、叶聪

机构

西北工业大学、武汉船用电力推进装置研究所、中国船舶科学研究中心

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. 文章导读

深潜装备作为挺进深海、水下研究及经略海洋的关键利器与重要平台，其水下作业能力的发挥直接取决于深海电池这一核心动力保障。有别于常规电池应用环境的一般性，深海极端环境（高压、低温、海水导电等）赋予了深海电池设计制造的特殊性，涉及电能生成、电池保护、电力分配及电池管理各方面的系统考量。此外，深海电池能量密度、循环性能以及倍率性能等性能指标的提升对于延长深潜装备水下潜伏周期、扩展巡航里程与增强水下作业能力是关键的基础保障和重要的发展前提。深海电池历经数代发展，逐渐由初代的铅酸电池向如今具有更高综合服役水平的锂电池发展转变。深海锂电池具有更高的能量密度、更低的运行风险以及更为灵活的设计余量，对于实现深潜装备“更深、更久、更强”发展新阶段具有重大的历史推动作用。

近期，西北工业大学材料学院谢科予教授、武汉船用电力推进装置研究所张祥功研究员、中国船舶科学研究中心叶聪研究员，与其合作者在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing，IJEM）上共同发表了题为《Manufacturing of Lithium Battery toward Deep-Sea Environment》的综述。该文章首次系统介绍了深海电池的设计制造，展示了深海电池在深海极端环境中应用的特殊性，包括电池电化学体系发展、深海电池保护设计、电力配置及管理，并着重指出了当下深海锂电池对于发展水下装备的显著优势及其广泛应用。基于此，系统讨论了发展深海锂电池在材料遴选、器件优化与测试，以及深海电池管理系统诸方面的研究进展（如图1所示），探究了突破当前相关研究困境的创新性解决策略，并展望了深海电池未来发展新方向及其对于推动极端环境研究与应用的前瞻性与先导意义。

图1深海锂电池的系统性设计制造。

2. 图文解析

本综述系统性展示了深海电池的设计制造全貌，揭示了其技术特征。以往研究多聚焦于深海电池的实际装备应用，缺乏系统性展示。本文通过展示深海电池电化学体系、保护设计、电力分配及管理，勾勒出深海电池的主要技术特征。本综述指出了深海电池从铅酸电池逐步升级过渡为镍镉电池、银锌电池，并逐渐转变为现今主流的锂电池。文章介绍了压力舱式和压力补偿式两种保护构型，对比了两种构型对电池性能的影响。

此外，展示了深海电池的输出特征以及模块化设计，并介绍了深海电池管理系统对于维护深海电池安全，提高深海电池使用效率的重要性。鉴于深海锂电池凭借更高的能量密度、更长的循环寿命和更低的副反应程度成为当下深海电池主流，本文通过总结其在深潜装备谱系化发展中的成功实践（如图2所示），进一步明确了其对深潜装备发展的历史进步意义及巨大潜力。

图2深海锂电池应用下的深潜装备谱系化发展。（a）2.5 kW h深海电池；（b）25 kW h深海电池；（c）110 kW h深海电池；（d）35 kW h深海电池；（e）“海斗号”深潜器；（f）“海斗一号”深潜器；（g）“奋斗者号”深潜器；（h）“思源号”深潜器。

深海锂电池作为多层级能源系统，对于深海极端环境应用具有不同层级的系统考量。文章展示了深海锂电池在关键材料遴选、器件优化设计及测试，以及深海电池管理系统等方面的研究进展和相关问题讨论。

深海锂电池材料 深海超高水压显著增加了力学因素对电池电化学反应的影响，亟需力-电化学模型对深海电池应用材料进行更加全面的评估和阐释。尤其在追求更高输出电压、更大输出电流以及更深服役深度的发展趋势下，厘清其力-电化学演化规律至关重要（如图3所示）。通过展示正极、负极材料在不同水压下的力-电化学特征变化，指出了深海水压对于电化学反应的显著干预作用及相应的改性策略。对于深海锂电池，正极、负极与电解质自身及其界面的力-电化学特征是衡量其服役性能的重要指标。即使材料理论机械强度高于深海水压，电化学反应导致的局部机械损伤或枝晶生长仍可能降低结构稳定性，在深海超高水压的驱动下引发电池力-电化学性能失效。

图3不同应用条件下电池电极材料的力-电化学模型特征。（a）倍率条件；（b）电压条件；（c）压力条件。

深海锂电池器件 深海锂电池电芯通常设计为方形电池、柱状电池以及层状电池以适应不同形状的深潜装备来提高深潜装备的空间利用率。对于直接承压式设计，深海电池电芯及其它电子元器件都处于油浸式环境，需要承压外界压力。相较而言，由于更佳的热分散能力以及轻量化设计，直接承压式深海锂电池更倾向于层状电池应用。对于外界超高静水压力，层状电池需要实现超净组装气氛、封装参数调整以及优化等强化措施。此外，各电子元器件也面临外界超高压力，同样要求消除电子元器件的内外压差以实现深海环境中的结构稳定性（如图4所示）。由于深海电池服役于深海环境的特殊性，其性能检测包括器件组装、液压舱测试及海试等检测步骤（如图5所示），以确保深海电池实际服役的安全可靠。

图4深海应用中的硬壳封装式电子元器件和压力补偿式电子元器件。（a）硬壳封装构型；（b）涂层构型；（c）压力导致的硬壳封装式电子元器件损伤；（d）压力补偿式构型；（e）压力补偿式键合型器件；（f）压力补偿式压接型器件。

图5深海电池测试。（a）深海电池组装；（b）深海电池压力腔测试；（c）深海电池海试；（d）压力下深海锂电池性能变化；（e）不同压力下深海锂电池的循环伏安曲线；（f）不同倍率和压力条件下深海锂电池的放电曲线；（g）压力下深海电池的性能变化；（h）温度及放电条件对深海电池的影响。

深海锂电池电池管理系统 深海锂电池电池管理系统构型设计一般与深海锂电池分布相适应，主要分为集中式与分布式设计，对于不同的电池管理效率和电池设计复杂程度应选择不同的电池管理系统设计。通过采集深海锂电池运行中的电池电压、电流密度以及荷电状态等参数，比较不同的参数预测模型的准确度。对于压力舱式深海锂电池，发展了相关的液态、固态散热介质用于提升电池热管理效率，其具体涉及到分别调控热管理系统的各项设计参数（如图6所示）。相比而言，压力补偿式深海锂电池管理系统要求电池管理系统还应具有抗外压力能力，需要更为复杂和周到的设计考虑。

图6深海电池电池管理系统设计参数优化。（a）液相冷却系统设计；（b）液相冷却系统仿生管道；（c）管道形状；（d）冷却液流速；（e）冷却液流向：及（f）动态操作策略对深海电池热管理的影响。

3. 总结与展望

尽管深海锂电池展现出独特的技术优势和巨大的发展潜力，其依然面临着不小的发展难题。考虑到深海电池轻量化和小型化设计的发展优势，通过引入结合柔性电池及3D打印等电池制造新技术，为深海电池制造提供更多的开发渠道与发展思路。对于深海锂电池能量密度的有限性，其依然需要返程，降低了深潜装备的作业效率和任务规划量。因此，发展水下充电站可以有效延长深潜装备的任务周期，增强深潜装备集群的配合度，促进水下交通网建设。此外，通过抓取海洋环境能量（风能、潮汐能等），进一步增强水下交通网络的可靠性以及深海装备动力能源补充的便捷性。

深海锂电池作为促进深潜装备发展新阶段的中坚力量，具有巨大的发展潜力，也包括亟待解决的科学技术问题。对于解决、发展极端环境能源应用不仅起到了压舱石作用，对于促进极端环境探索开发同样具备重要的研究先导作用和历史进步意义。期待在未来的极端环境能源发展中，揭示阐释更多新现象及新原理，推陈出新更多新装备及新应用，推动科学技术和社会生产的进一步发展与进步。

4. 作者与团队简介

叶聪

中国船舶科学研究中心

叶聪，中国船舶集团有限公司第七〇二研究所研究员、历任“蛟龙号”载人潜水器主任设计师、首席潜航员、“深海勇士号”载人潜水器副总设计师、全海深载人潜水器总设计师、“奋斗者号”载人潜水器总设计师、万米海试总指挥。

谢科予

西北工业大学

谢科予，西北工业大学材料学院教授、博导，“特种化学电源及其关键材料”陕西省科技创新团队负责人；先后主持/完成国家重点研发计划国合专项、国家自然科学基金联合重点项目等，发表《Nature Communications》《Advanced Materials》等期刊论文130余篇，获省部级一等奖等。

张祥功

武汉船用电力推进装置研究所

张祥功，中国船舶集团有限公司第七一二研究所研究员、全海深锂电池系统主任设计师，长期从事特种电池技术研究与应用开发工作。

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关于期刊

International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》），简称IJEM，致力于发表极端制造领域相关的高质量最新研究成果。自2019年创刊至今，期刊陆续被SCIE、EI、Scopus等20余个国际数据库收录。JCR最新影响因子16.1，位列工程/制造学科领域第一。中科院分区工程技术1区。入选中国科技期刊卓越行动计划二期英文领军期刊。

期刊网址：

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 编辑：梁煜 审核：范珂艳 关利超

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