【科技评论】致密能源技术的发展趋势与应用前景
致密能源指高比能量、高比功率、轻质化、小型化和微型化电能源（系统），又称为高能量密度电源。致密能源分为化学致密电源与物理致密电源。化学电源系电化学储能及能量转换技术；物理电源系光、热和其他物理能量转换技术。致密能源作为信息产业、航空航天、轨道交通、新能源产业等领域的重要支撑技术和产品，已成为21世纪最有发展和应用价值的科学技术之一。此外，随着武器装备信息化的快速发展，军用致密能源的地位和作用大幅提高，已成为无人机、电磁炮、激光武器等各类武器装备系统的动力装置。
一、发展现状
近年来，为推动致密能源技术的发展，美国、欧洲、日本等国制定了一系列的相关发展计划。针对军用能源近期和远期需求，美国在2010年、2011年先后发布了《美国陆军动力与能源战略白皮书》和《高能量密度锂离子电池计划》等文件。文件指出未来美国将投入大量资金开展致密能源技术的项目研究以提高相关技术成熟度并演示与评估零部件技术性能，为致密能源的军事应用奠定了基础。在欧洲，2011年3月欧洲防务局各成员国根据近几年军事行动的经验教训和军事需求，签署了新的能力发展计划，明确了燃料和能源领域等10大优先发展领域。针对军用车辆车载电源近期和远期需求，德国、英国、法国等先后启动多项混合电传动技术研发计划，此外，欧洲多个国家将单兵电源列为重要的单兵作战系统发展计划。在亚洲，日本、韩国、印度等国在致密能源技术领域也取得了长足的进步。日本作为最早开发出锂离子电池的国家，在相关法律中明确规定鼓励提高能源效率和利用可再生能源，其电化学贮能及能量转换技术一直处于世界领先地位。韩国颁布了一系列新生、可再生能源技术开发及利用普及计划，其电化学贮能及能量转换市场份额已超过日本。印度在2010—2011年间启动了尼赫鲁国家太阳能计划，对光伏发电及太阳热能新上项目予以支持。
目前国外致密能源技术的发展主要围绕电化学贮能及能量转换技术、超级电容器技术和光电能量转换技术等展开。在电化学贮能及能量转换技术方面，国外通过大量基础性研究已突破了蓄电池高比能量、小型化、轻型化、长寿命等关键技术，目前已投入军事应用的有铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、飞轮储能电池、燃料电池和超电容器。在超级电容器技术方面，由于兼有电池高比能量和传统电容器高比功率的优点，超级电容器技术近年来取得了较大突破和进展，2007年全球超级电容器产业总规模为45亿美元，存储的能量达传统电容器100倍以上。在光电能量转换技术方面，近年来国外光电能量转换技术取得的突破与进展有：硅基太阳能电池硅片厚度已由20世纪70年代的450～500um降低到目前的180～280um，极大地减少了硅材料的用量，叠层电池通过器件的叠加使电池性能得到显著增加，柔性电池已用在帐篷、服装、头盔，玩具等特殊曲面上，新概念太阳能器件的光电转换效率已优化至11%以上，超过非晶硅太阳能电池的转换效率。
二、发展趋势
未来致密能源领域的发展趋势将主要体现在多个方面。
锂离子电池仍将是未来一段时间内各国发展的重点。未来信息战场中，上至各级指挥所，下至每个单兵都要使用各类的信息设备，电源是必不可少的装备之一，其能量密度将成为影响部队作战能力的重要因素。作为当今质量能量密度和体积能量密度最高的蓄电池，锂离子电池不仅具有重量较轻、自放电率较低、工作时间较长等特点，还能满足军事装备高安全性、高可靠性和高环境适应性的特点要求，因此各国都把锂离子电池作为未来单兵通信设备电源的首选。
高比能量动力电池技术发展迅速，已进入工程化应用阶段。动力电池的性能对新能源车辆的发展起着至关重要的作用。新能源车辆应具有比能量高、比功率大、自放电少、使用寿命长及安全性好等特性。目前技术最成熟、应用最广泛、商业化最成功的是镍氢动力电池，包括丰田普瑞斯在内的混合动力汽车都使用镍氢电池。未来混合动力车的主用能源将使用高容量的锂离子充电电池。
储能装置将成为电磁装甲和电磁脉冲武器的关键突破口。由于电磁装甲工作时所需的能量较大，导致车内电容器数量过多，电容器数量的增加势必增加地面平台的重量和体积，从而影响其机动性。目前国外积极研发高比能量储能装置技术以提高储能装置的比能量。高比能量电容器的主要方向发展高强度电介质电容器和电解质电容器，目前这两种电容器比能量均达到每千克十几千焦的数量及水平，未来几年内有望突破30kJ/kg。
薄膜太阳能光伏电池技术及其产业化逐渐成为发展主流，新一代太阳能电池技术也在加紧研制。2010年以后，晶硅太阳能电池的市场占有率逐渐被薄膜太阳能电池取代，逐渐占据主导地位，同时下一代新型太阳能电池技术也正在加紧研发中。为适应太阳能电池高效率、低成本、大规模生产发展的需要，最有效的办法是直接采用薄膜材料，即开发薄膜太阳能电池。目前，世界上至少有40个国家正在开展低成本、大面积、高效率的薄膜电池的实用化技术研究。
三、应用前景
未来军用致密能源领域，将重点开展新型锂离子电池、燃料电池、超级电容器和太阳能光伏发电技术的研究。
高比能量密度的锂离子电池拥有广阔的军事应用前景。锂离子电池以其电压高、体积小、质量轻、比能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、寿命长等优点，成为目前综合性能最好的电池体系，并广泛地应用于许多高能便携式电子设备上。未来随着新材料的出现和电池设计技术的改进，锂离子电池的应用范围将不断得到拓展。
军用燃料电池技术在武器装备中的应用不断扩大。军用燃料电池技术主要可以分为便携式、移动式和固定式三种应用形式。由于能为各种武器系统提供长运行时间、低热辐射和电磁辐射、轻重量和免维护的电能供应设备，军用燃料电池技术非常适用于具备较强前线远距离侦察能力的装备之中，特别是为热信号低、无噪音、体积小的小型无人侦察机和航天飞机提供电源系统。
电磁炮和电磁装甲将成为超级电容器的重点应用领域。随着高比能量储能装置技术的不断取得突破进展，未来超级电容器作为储能装置将广泛应用到车载电磁炮、机载电磁炮、舰载电磁炮等超高能武器装备中。由于这些武器在反装甲、防空和反舰战术导弹方面有广阔的发展前景，研制成功后将使武器的进攻性有一个质的飞跃。
太阳能光伏发电技术将在国防领域得到广泛推广。随着太阳能光伏产业的发展和光电能量转换技术的进步，未来太阳能的军事应用范围也将日益广泛。在单兵装备领域，具有体积小、重量轻和高能量密度特点的太阳能电池未来将成为单兵装备的首选。在无人装备领域，未来太阳能光伏发电技术将被广泛应用于无人值守遥控武器站、无人值守微波中继站以及地面、空中和水上/水下无人系统中。在军用航天领域，高能量密度的太阳能供电设备将被广泛应用到航天飞行器、卫星、航天器和空间太阳能电站等中。在军事太阳能用户领域，由于具有灵活、安装方便的特点，太阳能并网发电技术特别适用于远离城区的远征作战和前线哨所用电。
（来源:海洋防务研究中心，作者:闵冬冬 刘淮）
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