新型能源技术对未来装备发展的影响

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未来士兵服装可由拉伸发电的纱线混纺而成，肩部、胸部可集成柔性光伏电池，腹部可装备多组轻量化高比能电池，大腿部装备小型燃料电池，并携带适量战术燃料，膝盖、关节、肩膀等还可装备动能回收系统，手套、背心前部可粘贴拉伸发电电容器贴片，由配电模块向作战服各处分配电能并监控用电、供电情况，形成未来士兵作战服的电源系统。士兵电源正在从单电池发展为包含柔性电源、便携式自发电、贴合人体能量回收的综合能源系统，趋势是更薄、更轻、更柔软。这些士兵电源能够有效延长士兵携带传感器、电子设备、通信系统的续航力，能够支持新一代武器、传感器、外骨骼，提高干扰环境下的目标命中率、状态感知、多模式通信、毁伤目标的能力，还能在必要时为携带的小型无人机、无人车充电，提高无人平台的航程和续航时间。现有锂离子电池的正极主要使用磷酸锂铁、锰酸锂、三元材料，负极为石墨类材料，电池比能约100～200Wh/kg。美国陆军要求未来士兵电源的比能达到600～800Wh/kg，是目前的4～6倍。提高锂电池比能的思路主要有三条：一是优化正极配方，主要是调节正极中的Ni、Co、Mn、Al等元素配比，在保证安全性（主要是热稳定性和循环特性）的前提下逐步提高比能，这种渐进式发展思路预计可将电池比能提高至300Wh/kg。二是优化负极结构，重点是研发理论比容量达石墨10倍的硅负极，核心是通过包覆、嵌入和掺杂等手段，构建纳米硅碳复合材料、硅氧复合材料等，解决硅负极在充放电过程中的体积膨胀严重问题。三是研发理论比能为锂离子电池6～12倍的锂金属负极电池，包括锂硫电池和锂空气电池，但这种电池存在严重的金属锂枝晶问题，难以充放电，目前仍需通过硫元素封装、改进固体电解质、界面工程等方法改进，但仍是未来电源重要备选方案。美国陆军分析认为，对于一项72小时的士兵作战任务，硅负极锂离子电池可将电池重量降低至70%，锂硫电池可降低至30%，锂空气电池可降低15%。柔性可拉伸电源主要包括柔性锂离子电池、柔性超级电容器和柔性太阳能电池。柔性锂离子电池可使用纸状、多孔、纤维、波浪等电极结构。纸状柔性电池是将电极材料独立成膜或涂覆在柔性纸状基底上，可制成电池贴片；多孔柔性电池是在柔性多孔框架上沉积电极材料，可用作服装中的填充物；纤维柔性电池可在棉质、聚酯质纤维上涂覆电极材料，或在多壁碳纳米管上添加电极材料后滚成纤维，再缠绕至弹性材料或自行盘绕成弹簧状纤维结构；波浪柔性电池是在预应变弹性基板上沉积电极材料，随后释放应变构成波浪形的可拉伸电极，也可用作电池贴片。柔性超级电容器可使用一维的纤维状结构，将电极捻在一起或逐层组装制成纤维，通过编织混纺制成服装，还可通过印刷、折叠等方式制造二维柔性超级电容器，贴附在皮肤、塑料、织物等表面。目前，柔性超级电容器的比电容一般为mF/cm2量级，比功约为mW/cm2量级，比能约为μWh/cm2量级，功率较低，可为LED灯、二极管、低功率人体传感器等供电。有机聚合物太阳能电池是一种柔性电源，能制成薄膜缝在衣服上。这种太阳能电池一般使用共轭聚合物供体和富勒烯衍生物受体，拉伸率可超过50%，光电转换效率最高约12%；还可制成多节有机太阳能电池，吸收不同波段的光，效率有望达到18%。便携式燃料电池正在从乙醇、甲醇重整逐步过渡至燃油重整或直接电子转移制氢发电，能量密度不断提高。美国Atrex已经研发出使用JP8无硫燃油的燃料电池，功率1.5kW，效率达到40%。高效率太阳能电池板也是提高士兵现场发电能力的重要手段。根据美国可再生能源实验室，目前的太阳能电池效率最高达到46%（四结、聚光），传统硅电池已经基本达到效率瓶颈。钙钛矿太阳能电池作为一种新型方案，制造成本低，从2009年发展至今实际效率已从3.8%增加至24.2%，钙钛矿-硅混合电池效率更是高达28%，超过硅电池水平（聚光单晶硅电池效率为27.6%）。钙钛矿太阳能电池是一种极有潜力的太阳能电池。除用作士兵携带的太阳能电池板外，钙钛矿太阳能电池还能制成半透明薄膜，用于战车玻璃涂层。目前士兵装备的人体能量回收系统一般采用机电系统，装备在腿部、关节处。除了这些复杂、笨重的机械式能量回收系统外，还可采用摩擦纳米发电机、温差发电热电池、压电纳米发电机等，甚至构建综合能量回收体系，回收关节弯曲、穿衣、步行、呼吸等低频活动的动能，驱动人体生理信号传感器、LED显示器等低功耗小型电子设备。柔性摩擦纳米发电机（TENG）通过两种不同的聚合物/金属材料接触时的摩擦发电，可制成薄膜贴片或纤维织物。典型的柔性聚合物摩擦纳米发电机可产生约3V的电压，功率密度达1W/m2。利用弹性体电极和水凝胶电介质，还能制成可拉伸10倍的摩擦纳米发电机。使用3D打印图案化的聚乳酸-石墨烯-特氟龙薄膜，通过简单的拍手动作，就能将发电电压提高至3kV，可用于3米范围内的无线充电。热电池利用人体与环境的温差发电，可利用太阳能吸收器将温差扩大到20℃，已经能产生约0.05～0.7伏、0.3～4.4微瓦的电能。柔性压电纳米发电机（PENG）通过在外力下破坏晶体结构的中心对称性，形成压电势，但目前功率较低，约1mW/m2，输出电压约1～3V，可通过平行或纵向排列大量纳米线增大功率。