下一代军事应用中的高级主要便携式电源要求

理想的电池将为应用提供充足的电力，提供较长的货架和使用寿命，承受极端环境，并且可以安全处理和使用。问题在于实现这些不同的理想操作特性所需的权衡取舍。在下一代军事应用中提供充足的功率需要比目前消费电子产品中通常使用的电池更高的能量和功率密度。例如，一些军用电池使用有毒或危险化学品来实现更高的能量密度，使其不适合某些应用。其他的可能能够在较长的使用寿命内提供安全操作，但仅适用于低电流应用。

以下讨论探讨了能量密度的问题，包括重量和体积，以及现有的原锂电池如何在士兵和无人驾驶飞机系统的下一代军事应用中堆积起来。这里对一次电池的独家关注 - 包括二氧化硫，二氧化锰，聚碳一氟化物和氟化碳 - 并不意味着降低可充电电池日益增长的重要性;相反，它是将专题的范围限制在可以足够深入地涵盖的范围内。

减轻负载

当今士兵携带越来越多的高科技设备，如先进的士兵系统，下一代无线电以及成像和传感系统，负担越来越大。根据任务的不同，士兵装备的总重量从28到超过70公斤（kg），或60到超过130磅不等。为电子设备供电所需的电池通常占总负载的约15%至30%。由于电池必须持续整个任务，士兵通常需要携带备件（或使用可充电电池时的充电系统）。

小型或微型无人机系统（UAS）也存在类似的情况，其中电池需要为电机，控制器，无线电和成像设备供电。与士兵一样，电池必须持续整个任务时间。当然，电池的允许重量因车辆类型而异，但通常设置为使用现有类型的电池时，任务持续时间在30分钟到2小时之间。

这些重量和电池持续时间限制的解决方案是使用更轻的电池。通过将能量密度加倍，给定持续时间的任务所需的电池组重量可以减半。或者，具有相同尺寸和重量的电池组具有两倍的能量密度，可以使任何任务的持续时间增加一倍。除了目标获取任务外，这在远程侦察和监视中特别有价值，因为在远程侦察和监视中，高空飞行时间可能决定成败。

当然，将能量密度提高一倍说起来容易做起来难，这就是为什么对于当今军事应用中使用的两种最受欢迎的商用现成电池类型来说，这一目标仍然难以实现：锂/二氧化硫（Li / SO2）和锂/二氧化锰（Li / MnO2）。虽然这些电池具有200-250瓦时/千克（Wh / kg）的相似能量密度，但它们的体积能量密度分别在350-450瓦时/升（Wh / l）和500-650 Wh / l时不同。请注意，由于能量密度随用于不同应用的不同外形尺寸而变化，因此此处使用的范围描述了需要中到高安培数的应用中电池的典型值。

在重量是一个重要设计考虑因素的应用中，二氧化硫和二氧化锰电池共享的相似重量能量密度既没有优势。但是，由于其他原因，二氧化锰电池越来越受欢迎，包括它们比加压二氧化硫电池的安全性更高。在电池可用空间有限的应用中，二氧化锰电池具有更大的优势，体积能量密度提高了40%。

例如，在BA-5X90 / U电池组中，二氧化锰增加的体积能量密度可提供约11.5安培小时（Ah）的服务，而二氧化硫约为7.5 Ah。但问题仍然存在：本例中的11.5 Ah电池明显重于7.5 Ah电池（约为1.35 kg或48盎司，而1.0 kg或36盎司），因为两者的重量能量密度相似。表1比较和对比了二氧化硫和二氧化锰电池，以及聚碳一氟化物和氟化碳电池，这将在下一节中讨论。（该表还显示了氯化亚砜（Li / SOCI2）电池，也用于某些军事应用。

表 1：比较本讨论中涉及的四种类型的电池 - 二氧化硫，二氧化锰，聚碳一氟化物和氟化碳 - 以及锂/亚硫酰氯（Li / SOCl2），它也用于一些军事应用。

先进的氟化碳电池

锂/聚碳单氟化物或Li/（CF）n电池自20世纪70年代以来一直存在，传统上用于高能量，低功耗应用，如存储器备份系统。然而，在对更好电池的永无止境的追求中，一项新技术已经出现，成为传统Li / （CF）n电池的分支：锂/碳氟化物（Li / CFx）电池。氟化碳电池保持了二氧化硫电池中高能量和功率密度，宽工作温度范围和长保质期的优点，同时采用固体阴极（不含重金属或其他有毒物质）以消除安全和环境问题（再次见表1）。此外，氟化碳电池不具备其他一些电池所表现出的操作问题，例如钝化。

最重要的是氟化碳电池的重量和体积能量密度更高，分别》600 Wh / kg和700-1000 Wh / l，与本文讨论的其他电池相比。如图1所示，在某些配置中，重量和体积能量密度的改进可能比前面提供的保守估计值更大。

图 1：这种对不同类型电池（除碱性电池外）的重量法和体积能量密度的比较证明了氟化碳提供的优势。

在军用无线电和其他系统中常用的BA-5X90 / U电池组中，这种流行电池的氟化碳版本应该能够使该电池的工作时间增加一倍以上 - 同时重量与该产品的传统二氧化硫版本大致相同。

氟化碳电池的另一个主要优点是其在功率密度和最大安全电流消耗方面都能够超过二氧化锰和聚碳一氟化物电池等。图2中的实验室测试结果显示，高电流应用提高了8倍，低电流应用提高了近2倍。这使得氟化碳电池特别适合需要高持续电流或脉冲电流的应用。

图 2：这些测试结果显示了三种不同尺寸的2016年纽扣电池在三种不同放电速率（至2.0 V）下的可用容量，量化了氟化碳电池在低、中、高放电速率下功率密度的改善。

与其他锂基原电池一样，氟化碳电池可以包装成各种外形尺寸，包括纽扣电池、电池片、薄膜电池或棱柱形电池。这使得氟化碳电池能够适应标准尺寸和定制电池组（串联和/或并联组合电池，以满足在6至30 V的典型军用范围内运行的特定需求）。

其他“重量级”设计注意事项

氟化碳电池在其他方面如何与其他电池类型相媲美？如前所述，表 1 列出了大多数应用程序中重要的详细信息。仅使用固体材料和无毒电解质使氟化碳电池比二氧化硫电池更安全，特别是在那些消耗高持续电流的应用中，二氧化硫电池可能会过热和失效。固体材料消除了对可能排放或泄漏腐蚀性或有毒气体的加压罐的需求，即使处理不当或损坏或发生短路情况，氟化碳电池也能安全使用。这显然是士兵特别关注的问题，但即使是武器和无人驾驶车辆中使用的电池在运输和更换过程中也必须处理。

工作温度范围不是士兵的一个因素，但可以是武器和监视系统的因素。在这里，氟化碳电池技术也比二氧化锰和二氧化硫都有所改善。事实上，碳氟化物电池的工作温度范围，如Contour能源系统先进的氟电池，远远超过了当今军事应用的要求。

不仅如此，凭借其更高的重量和体积能量密度以及本讨论中描述的其他属性，Contour能源系统的氟化碳氟电池比二氧化锰和二氧化硫电池具有更长的使用寿命。同样重要的是，这些电池系统还提供了更长的保质期 - 比二氧化锰或二氧化硫电池长50%。

审核编辑：郭婷