科创中国

研究全海深压力环境下的高稳定性、高能量密度电极材料、塑性耐压电解质、抗压离子导体涂层隔膜三大关键材料，从材料科学的角度解决锂离子电池应用于高液压变化条件下的电化学性能稳定性与安全可靠性问题。同时，开展高克容量的新型锂合金负极的探索与研究，为提高电池能量密度提供支撑。 开发满足11000米压力环境使用的三大关键电池材料，满足正极克容量≥150mAh/g、聚合物电解质室温电导率≥0.8mS/cm的技术指标。同时探索性研发的新型锂合金材料满足容量≥1000mAh/g，初始效率≥92%，循环性能≥300次。

1)完成了深海压力下高克容量正极材料改性的技术攻关，提升了其循环性与倍率性能。 2) 完成了锂离子电池聚合物电解质材料优化的技术攻关，改进了界面性能、电导特性与力学性能。项目阐释了深海高液压环境下锂离子电池中电解质的特殊输运机理，模拟计算了六氟磷酸锂在混合电解液中的动力学行为。将计算结果与原位耐压127MPa的锂离子迁移数测试相结合，获得了在深海环境中可以保持锂离子稳定迁移的电解液优化配方，将其与环氧固化交联聚合物固态电解质进行复合得到具有优异耐压界面稳定性，电导率达到1.***的聚合物电解质材料，应用于全海深高能量密度锂离子电池单体，使得电池单体具有长时间耐压稳定放电性能 3) 完成了承压复合隔膜的技术攻关，采用该技术的电池单体通过了万米耐压考核。项目有效提升了全海深耐压电池单体的耐压柔性，电池单体经过反复耐压循环拆解后对隔膜进行微观形貌分析，复合隔膜的微观形貌、力学性能保持耐压测试前的水平。 4) 完成了高克容量新型锂合金负极技术攻关，克容量达到2998.4mAh/g，为下一代高比能深海电池设计提供了新思路。

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。

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：①从微观尺度出发的新技术与新方法：基于第一性原理计算的电池材料耐压设计技术和万米海水静压锂离子迁移数原位测试方法；②从宏观参数验证的新材料、新技术、新规范、新产品：高液压电极材料、复合隔膜、新型锂合金负极材料；全海深锂离子电池的安全性评估技术；全海深锂离子电池组安全性评估规范；全海深承压高比能锂电池组。

新技术：基于第一性原理计算的电池材料耐压设计技术

新方法：万米海水静压锂离子迁移数原位测试方法。国际上首次建立了一种适应用于在 11000 米海水压力环境下电解液中锂离子迁移数的表征方法。该方法设计了一种新的耐压阻塞电极工装，配合原位模拟压力筒交流阻抗测试，可同时适用于锂离子在常压与万米静水压力环境下电解液中锂离子迁移数的原位测量，克服了传统测量模型无法耐受 11000 米海水压力环境、锂离子阻塞电极受到严重破坏的难题。该方法在常压与在万米深海压力环境下，均具有测量稳定性和准确性，同时还可甄别万米压力环境中改变了与金属锂反应活性的电解液组成（锂盐、浓度、添加剂），发现了深海凝聚态物理研究的深海科学新视野。

新材料：高液压电极材料、复合隔膜、新型锂合金负极材料。项目完成了一整套适应万米深海耐压离子电池单体制备的新材料技术方案，该材料方案除了全面满足课题任务书的要求外，还使得采用该方案的电池单体具备在 127MPa 静水压力环境下保持2C最大放电倍率的电化学活性及安全性。课题还探索性的开发了一种具有深海应用前景的高克容量长循环锂合金负极材料，并获得了国家发明专利授权。项目研制的全海深耐压电池材料整体性能达到了国际先进水平。

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。

该项目按照任务书的要求，深入开展了高稳定性电极、电解质与复合隔膜、电芯耐压结构与电化学性能匹配性、电池监测及管理系统、电池组成组与结构、电池安全性评估与控制等关键技术的研究，完成了全海深高能量密度锂电池的研制，受理发明专利19项、授权发明专利11项。全面完成了任务书要求的预定任务，达到了预期目标，对深海关键技术与装备专项目标的实现起到了关键支撑作用。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。推动了社会进步，科技发展，对环境保护起到至关重要的作用。

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。

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。

可实现的措施：

（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。