理想的電池將為應(yīng)用提供充足的電力，提供較長(zhǎng)的貨架和使用壽命，承受極端環(huán)境，并且可以安全處理和使用。問(wèn)題在于實(shí)現(xiàn)這些不同的理想操作特性所需的權(quán)衡取舍。在下一代軍事應(yīng)用中提供充足的功率需要比目前消費(fèi)電子產(chǎn)品中通常使用的電池更高的能量和功率密度。例如，一些軍用電池使用有毒或危險(xiǎn)化學(xué)品來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的能量密度，使其不適合某些應(yīng)用。其他的可能能夠在較長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)提供安全操作，但僅適用于低電流應(yīng)用。

以下討論探討了能量密度的問(wèn)題，包括重量和體積，以及現(xiàn)有的原鋰電池如何在士兵和無(wú)人駕駛飛機(jī)系統(tǒng)的下一代軍事應(yīng)用中堆積起來(lái)。這里對(duì)一次電池的獨(dú)家關(guān)注 - 包括二氧化硫，二氧化錳，聚碳一氟化物和氟化碳 - 并不意味著降低可充電電池日益增長(zhǎng)的重要性;相反，它是將專題的范圍限制在可以足夠深入地涵蓋的范圍內(nèi)。

減輕負(fù)載

當(dāng)今士兵攜帶越來(lái)越多的高科技設(shè)備，如先進(jìn)的士兵系統(tǒng)，下一代無(wú)線電以及成像和傳感系統(tǒng)，負(fù)擔(dān)越來(lái)越大。根據(jù)任務(wù)的不同，士兵裝備的總重量從28到超過(guò)70公斤（kg），或60到超過(guò)130磅不等。為電子設(shè)備供電所需的電池通常占總負(fù)載的約15%至30%。由于電池必須持續(xù)整個(gè)任務(wù)，士兵通常需要攜帶備件（或使用可充電電池時(shí)的充電系統(tǒng)）。

小型或微型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)（UAS）也存在類似的情況，其中電池需要為電機(jī)，控制器，無(wú)線電和成像設(shè)備供電。與士兵一樣，電池必須持續(xù)整個(gè)任務(wù)時(shí)間。當(dāng)然，電池的允許重量因車輛類型而異，但通常設(shè)置為使用現(xiàn)有類型的電池時(shí)，任務(wù)持續(xù)時(shí)間在30分鐘到2小時(shí)之間。

這些重量和電池持續(xù)時(shí)間限制的解決方案是使用更輕的電池。通過(guò)將能量密度加倍，給定持續(xù)時(shí)間的任務(wù)所需的電池組重量可以減半?；蛘撸哂邢嗤叽绾椭亓康碾姵亟M具有兩倍的能量密度，可以使任何任務(wù)的持續(xù)時(shí)間增加一倍。除了目標(biāo)獲取任務(wù)外，這在遠(yuǎn)程偵察和監(jiān)視中特別有價(jià)值，因?yàn)樵谶h(yuǎn)程偵察和監(jiān)視中，高空飛行時(shí)間可能決定成敗。

當(dāng)然，將能量密度提高一倍說(shuō)起來(lái)容易做起來(lái)難，這就是為什么對(duì)于當(dāng)今軍事應(yīng)用中使用的兩種最受歡迎的商用現(xiàn)成電池類型來(lái)說(shuō)，這一目標(biāo)仍然難以實(shí)現(xiàn)：鋰/二氧化硫（Li / SO2）和鋰/二氧化錳（Li / MnO2）。雖然這些電池具有200-250瓦時(shí)/千克（Wh / kg）的相似能量密度，但它們的體積能量密度分別在350-450瓦時(shí)/升（Wh / l）和500-650 Wh / l時(shí)不同。請(qǐng)注意，由于能量密度隨用于不同應(yīng)用的不同外形尺寸而變化，因此此處使用的范圍描述了需要中到高安培數(shù)的應(yīng)用中電池的典型值。

在重量是一個(gè)重要設(shè)計(jì)考慮因素的應(yīng)用中，二氧化硫和二氧化錳電池共享的相似重量能量密度既沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。但是，由于其他原因，二氧化錳電池越來(lái)越受歡迎，包括它們比加壓二氧化硫電池的安全性更高。在電池可用空間有限的應(yīng)用中，二氧化錳電池具有更大的優(yōu)勢(shì)，體積能量密度提高了40%。

例如，在BA-5X90 / U電池組中，二氧化錳增加的體積能量密度可提供約11.5安培小時(shí)（Ah）的服務(wù)，而二氧化硫約為7.5 Ah。但問(wèn)題仍然存在：本例中的11.5 Ah電池明顯重于7.5 Ah電池（約為1.35 kg或48盎司，而1.0 kg或36盎司），因?yàn)閮烧叩闹亓磕芰棵芏认嗨啤１?比較和對(duì)比了二氧化硫和二氧化錳電池，以及聚碳一氟化物和氟化碳電池，這將在下一節(jié)中討論。（該表還顯示了氯化亞砜（Li / SOCI2）電池，也用于某些軍事應(yīng)用。

表 1：比較本討論中涉及的四種類型的電池 - 二氧化硫，二氧化錳，聚碳一氟化物和氟化碳 - 以及鋰/亞硫酰氯（Li / SOCl2），它也用于一些軍事應(yīng)用。

先進(jìn)的氟化碳電池

鋰/聚碳單氟化物或Li/（CF）n電池自20世紀(jì)70年代以來(lái)一直存在，傳統(tǒng)上用于高能量，低功耗應(yīng)用，如存儲(chǔ)器備份系統(tǒng)。然而，在對(duì)更好電池的永無(wú)止境的追求中，一項(xiàng)新技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)，成為傳統(tǒng)Li / （CF）n電池的分支：鋰/碳氟化物（Li / CFx）電池。氟化碳電池保持了二氧化硫電池中高能量和功率密度，寬工作溫度范圍和長(zhǎng)保質(zhì)期的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用固體陰極（不含重金屬或其他有毒物質(zhì)）以消除安全和環(huán)境問(wèn)題（再次見(jiàn)表1）。此外，氟化碳電池不具備其他一些電池所表現(xiàn)出的操作問(wèn)題，例如鈍化。

最重要的是氟化碳電池的重量和體積能量密度更高，分別》600 Wh / kg和700-1000 Wh / l，與本文討論的其他電池相比。如圖1所示，在某些配置中，重量和體積能量密度的改進(jìn)可能比前面提供的保守估計(jì)值更大。

圖 1：這種對(duì)不同類型電池（除堿性電池外）的重量法和體積能量密度的比較證明了氟化碳提供的優(yōu)勢(shì)。

在軍用無(wú)線電和其他系統(tǒng)中常用的BA-5X90 / U電池組中，這種流行電池的氟化碳版本應(yīng)該能夠使該電池的工作時(shí)間增加一倍以上 - 同時(shí)重量與該產(chǎn)品的傳統(tǒng)二氧化硫版本大致相同。

氟化碳電池的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是其在功率密度和最大安全電流消耗方面都能夠超過(guò)二氧化錳和聚碳一氟化物電池等。圖2中的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果顯示，高電流應(yīng)用提高了8倍，低電流應(yīng)用提高了近2倍。這使得氟化碳電池特別適合需要高持續(xù)電流或脈沖電流的應(yīng)用。

圖 2：這些測(cè)試結(jié)果顯示了三種不同尺寸的2016年紐扣電池在三種不同放電速率（至2.0 V）下的可用容量，量化了氟化碳電池在低、中、高放電速率下功率密度的改善。

與其他鋰基原電池一樣，氟化碳電池可以包裝成各種外形尺寸，包括紐扣電池、電池片、薄膜電池或棱柱形電池。這使得氟化碳電池能夠適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)尺寸和定制電池組（串聯(lián)和/或并聯(lián)組合電池，以滿足在6至30 V的典型軍用范圍內(nèi)運(yùn)行的特定需求）。

其他“重量級(jí)”設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

氟化碳電池在其他方面如何與其他電池類型相媲美？如前所述，表 1 列出了大多數(shù)應(yīng)用程序中重要的詳細(xì)信息。僅使用固體材料和無(wú)毒電解質(zhì)使氟化碳電池比二氧化硫電池更安全，特別是在那些消耗高持續(xù)電流的應(yīng)用中，二氧化硫電池可能會(huì)過(guò)熱和失效。固體材料消除了對(duì)可能排放或泄漏腐蝕性或有毒氣體的加壓罐的需求，即使處理不當(dāng)或損壞或發(fā)生短路情況，氟化碳電池也能安全使用。這顯然是士兵特別關(guān)注的問(wèn)題，但即使是武器和無(wú)人駕駛車輛中使用的電池在運(yùn)輸和更換過(guò)程中也必須處理。

工作溫度范圍不是士兵的一個(gè)因素，但可以是武器和監(jiān)視系統(tǒng)的因素。在這里，氟化碳電池技術(shù)也比二氧化錳和二氧化硫都有所改善。事實(shí)上，碳氟化物電池的工作溫度范圍，如Contour能源系統(tǒng)先進(jìn)的氟電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了當(dāng)今軍事應(yīng)用的要求。

不僅如此，憑借其更高的重量和體積能量密度以及本討論中描述的其他屬性，Contour能源系統(tǒng)的氟化碳氟電池比二氧化錳和二氧化硫電池具有更長(zhǎng)的使用壽命。同樣重要的是，這些電池系統(tǒng)還提供了更長(zhǎng)的保質(zhì)期 - 比二氧化錳或二氧化硫電池長(zhǎng)50%。

審核編輯：郭婷