「世界国防科技前沿动态」石墨烯储能技术军用前景可期

当前，世界新一轮科技革命和军事革命加速推进，科技创新正成为重塑世界格局、创造人类未来的主导力量，以人工智能、大数据、云计算、网络信息、生物交叉，以及新材料、新能源等为代表的前沿科技迅猛发展，为军队战斗力带来巨大增值空间。因此，军事强国都高度重视战略前沿技术和基础科技的布局、投入和研发，以期通过发展先进科学技术来赢得未来军事斗争的战略主动权。

有关单位组织国内科技信息研究机构的有关力量，围绕主要国家国防科技综合发展和重点领域发展态势开密切跟踪和分析，并在此基础上共同编撰了《世界国防科技年度发展报告》（2017）系列丛书，该丛书共19卷，已由国防工业出版社公开出版。

为帮助对国防科技感兴趣的广大读者全面、深入了解世界国防科技发展的最新动向， 仰山智库将从该从书中摘选优秀文章陆续发送，以饕读者。

2017年3月，欧洲领先的超级电容器制造商Skeleton技术公司推出一款新型发动机启动模块，用于辅助重型工业车辆在极端条件下的大功率启动。此模块称为SkelStart发动机启动模块2.0，有24伏和12伏两个型号，是基于公司的SkelCap石墨烯基超级电容器制成。Skeleton技术公司的石墨烯基超级电容器比市场上其他产品的功率密度高4倍，能量密度高两倍，其主要客户是德国车辆制造商、欧洲军工企业和欧洲航天局。2月，该公司获得了欧洲战略投资基金1500万欧元的投资，用于石墨烯基超级电容器及其系统的进一步研发。据悉，Skeleton的石墨烯基超级电容器早在2015年就应用在爱沙尼亚军工企业米尔莱姆公司的多用途无人车上，并在当年的英国军警防务展上得到披露。上述动向表明，石墨烯储能技术在政府机构和企业的共同推动下将逐步走向成熟，在军用动力能源领域前景可期。

石墨烯储能技术是各国竞相研发的前沿能源技术，研发重点主要集中在电池和超级电容器方面。电池和超级电容器是电化学储能的核心器件，而电化学储能则是当今全球发展最为迅速的储能技术。石墨烯优异的物理化学特性使电化学储能器件的能量密度、功率密度、使用寿命等得到大幅提升，同时可显著缩短充电时间。作为军用装备的重要电源，这些储能器 件能进一步改善装备的静默观察、长航时等性能，满足能量武器、装甲车冷启动和主动防护的瞬时能量需求。国外国防机构及工业部门非常重视石墨烯储能技术的研究，开发其在车辆用电池与超级电容器组合的混合动力系统、航空航天用高功率军事装备、激光武器与电磁炮用高功率脉冲电源、无人系统、单兵装备等方面的军用潜力。

一、石墨烯可显著提升锂离子电池、超级电容器等储能器件的性能

石墨烯作为添加剂或改性剂在提升锂离子电池性能、缩小电池体积方面潜力巨大。美国特种化工品生产商卡博特公司2013年就推出石墨烯基导电添加剂，用以提升锂离子电池的能量密度。美国原军用电池供应商A123系统公司亦早已布局研发石墨烯增强的磷酸铁锂电池技术。美国能源部阿贡国家实验室开发的采用石墨烯基电极的锂—氧电池，储存的能量高达现有锂离子电池的5倍。2016年12月，致力于为锂电池专业开发硅—石墨烯复合电极的加利福尼亚电池公司宣布成功放大并制造出锂电池用高性能硅复合材料，测试表明，材料大幅提升锂离子电池的容量，不仅比其他硅电极稳定，而且循环性能佳。该公司将与阿贡国家实验室合作，集成其他材料和电解液，以实现更优的锂离子电池性能，为储能、交通运输和国防工业服务。韩国三星电子、西班牙Graphenano公司也分别开发出石墨烯改性的硅电极锂离子电池和新型石墨烯聚合物电池，能量密度都远高于传统锂离子电池。美国空军科学研究办公室资助莱斯大学开发出一种由二维氧化石墨烯和六方氮化硼片组成的韧性超轻泡沫材料，在电池和超级电容器电极结构中有良好的应用潜力。

相比电池，石墨烯在超级电容器中的应用前景更被期待，其较高的比表面积可存储更多的静电荷，被认为是超级电容器中活性炭的替代者。另外，石墨烯基超级电容器还具有更轻、柔性更好、力学性能更佳的特点。2015年，美国特拉华州的爱迪生电力公司制造出10000法拉第石墨烯基超级电容器，并与加拿大Sunvault能源公司签订协议，进军车辆动力市场。韩国国防发展局支持首尔大学研发的全石墨烯储能器件不仅功率密度高，而且能量密度可媲美传统的锂离子电池。澳大利亚莫纳什大学开发的石墨烯基超级电容器，能量密度已经与铅酸电池相当。

二、石墨烯基储能装置或在未来战车中广泛应用

电池系统是战车启动、照明、点火、静默观察、电磁装甲、电子信息设备以及混合动力车辆加速和静默机动不可或缺的能源装置。以往几乎所有车用电池都是铅酸电池，不仅有污染，而且能量密度、功率密度低，循环寿命、续航时间短。锂离子电池比铅酸更轻，储能至少多33%。2011年，美国陆军坦克机动车辆研发与工程中心在其地面车辆储能研发计划与目标中指出，要开发性能更高且安全可靠的储能系统，降低电池重量和体积，同时提出其军用锂离子电池组的目标为能量密度150瓦·时／千克，功率密度1000~2000瓦／千克。2012—2014年，美国洛克希德·马丁公司、陆军坦克车辆研发与工程中心等机构相继验证或评估了锂离子电池在军用车辆中的应用，涉及A123系统公司、法国SAFT公司等电池供应商。SAFT公司还与欧洲通用动力陆地系统瑞士子公司莫瓦格签订合同，为数百辆“皮兰哈”第五代装甲人员输送车提供6T锂离子动力电池。电池重量是铅酸电池的1/4，体积减小一半，具有紧凑、轻质、长寿命、高功率、高能量效率和良好的低温性能等。未来战车以锂离子电池代替传统的铅酸电池将是主流。

基于石墨烯在改善磷酸铁锂电池性能方面效果明显，美国陆军坦克机动车辆研发与工程中心已与多所大学合作开发石墨烯基锂离子电极材料。加拿大Zenyatta公司是研发石墨、石墨烯材料在锂离子电池中应用的专业机构，该公司2016年11月在全球国防工业相关会议上与通用动力欧洲陆地系统公司、洛克希德·马丁公司（加拿大）等进行了业务合作洽谈。这些迹象预示着添加石墨烯的高性能锂离子电池不久后或将在未来战车中得到广

泛应用。超级电容器方面，Skeleton技术公司生产的石墨烯增强的超级电容器已进入卡车市场，该超级电容系统能辅助卡车在寒冷气候下顺利启动，也能为卡车提供加速性能。此公司的石墨烯增强超级电容器还安装到法国Adgero公司的半拖挂车上，用以回收能量和提供混合动力。Adgero公司推出的UltraBoostST动能回收系统，可将刹车时的动能储存在超级电容器组中，降低燃油和碳排放高达25%。美国麦斯威尔技术公司曾参与美国陆军混合电动车用先进超级电容器系统的开发，其瑞士子公司宣布参与由欧盟第七框架计划资助的研发项目，集成和评估石墨烯电极。石墨烯增强的超级电容器将提升重型卡车的启动性能，或成为混合动力系统重要的储能装置，为战车的爬坡越野和节能减排做出贡献。

三、石墨烯基储能装置在航空航天装备中的应用受到欧美关注

超级电容器的瞬时高脉冲功率为其在航空航天装备中的应用奠定了技术基础。空客A380飞机的登机门和应急舱门十年前就已采用超级电容器作为动力电源。Skeleton技术公司于2015年与欧洲航天局签订协议，将石墨烯基超级电容器用于航天装备，以减小现有航天用电池等储能器件的体积。2016年7月，Skeleton技术公司与法国FlyingWhales公司合作研发采用石墨烯基超级电容器的大容量飞行器。他们计划建造运输用60吨大容量飞艇，联合设计混合推进系统，依靠石墨烯基超级电容器技术为下一代大型大载重飞艇提供电力。Skeleton的超级电容器组能实现2兆瓦的峰值功率和约15兆瓦平均运行功率，可用于飞艇的悬停、爬升等。该技术使飞艇载重高达60吨，并辅助其以100千米／小时的速度每天飞行几千千米。西班牙Graphenano公司也透露，其与包括航空航天企业在内的几家领先的跨国公司达成协议，充分发挥其采用石墨烯的电池技术优势，为这些客户提供服务。

2016年2月，美国凯斯西储大学获得NASA和空军研究实验室1650万美元的两年研发资助，开发包括石墨烯基锂硫电池在内的储能技术在国防和航空航天领域的应用。石墨烯基储能装置在航空航天装备中的应用越来越受到欧美国家的关注。

四、石墨烯储能技术已在无人装备中获得应用

2015年6月，美国海军技术信息谅解备忘录收录了关于海军航空应用中的纳米使能技术报告，探讨了石墨烯基电容器在无人机及其电磁弹射系统等装备中的应用潜力，列出其技术优势包括高功率密度、高能量密度、优良的循环性能、减小体积重量、提高占空比等。另外，石墨烯增强的高能量密度锂离子电池也可显著提升无人系统的续航能力。无人车方面，爱沙尼亚米尔莱姆公司的军用无人履带车辆采用Skeleton公司的石墨烯基超级电容器组，利用柴油发电机为超级电容器组供电，其电动马达可持续工作超过８小时。复杂的控制单元在柴油发电机、电动马达和超级电容器间调控能量流。石墨烯基超级电容器能提供10瓦·时／千克的能量密度，不仅可确保车辆在低至-65°C的寒冷环境可靠启动，而且满足上百万次充放电循环使用，寿命是标准电池的500倍。这种混合动力系统使能量消耗降低25%~40%。

五、石墨烯储能技术可为能量武器提供电源解决方案

能量武器技术是军事强国竞相研发的颠覆性技术，包括激光武器、微波武器、电磁导轨炮等，电源技术是能量武器的核心技术之一。美国对舰载、机载和车载激光武器进行了大量测试，但其进一步高能化、小型化发展依然受制于电源技术。激光武器需要高功率脉冲电源，而当前必须依靠高功率发电机组或大容量蓄电池实现，其重量和体积会使激光武器的机动性大大降低。石墨烯不仅可以显著提高现有电源系统的能量和功率密度，而且可大幅缩小电源体积。

2016年6月，加拿大石墨烯巨头LomikoMetals公司和纽约州立大学石溪分校联合测试了其10伏超级电容储能单元，该产品能以相同的体积存储此前10倍的能量，为石墨烯超级电容器的高压设计提供了可行性，使紧凑型高密度储能成为可能。石墨烯储能技术将为激光武器的小型化提供解决方案，促进无人机载和手持式激光武器的出现。微波武器也需要超级电容器发射超强电磁脉冲，石墨烯储能技术同样可能发挥作用。此外，美国海军电磁炮项目磷酸铁锂电池储能系统供应商K2能源公司亦涉足开发石墨烯改性的锂离子电池技术，该公司此前被美国海军要求开发一种基于磷酸铁锂电池的、独立自容式电池能量存储系统，为电磁轨道炮用大规模电容器组充电。这说明，石墨烯储能技术还在电磁炮的电源系统开发方面具有潜力。

六、石墨烯柔性储能技术有利于柔性电子装备的开发和单兵的减重

随着部队信息化的提升，单兵携带的导航定位装置、通信系统、夜视装备增多，士兵背负的电源越来越重。石墨烯基柔性储能装置为解决该问题带来希望。将石墨烯基柔性电源集成到可穿戴装备中，不仅可为各种系统供电，也促进单兵系统的轻量化和多功能化发展，满足信息化战争需求。在2012年美国第二届国防多功能材料研讨会上，乔治亚理工学院介绍了包括石墨烯在内的纳米复合材料在柔性锂离子电池和超级电容器中的应用研究，得到了空军科学研究办公室、NASA、陆军航空与导弹研发与工程中心的支持。美国陆军研究实验室也专门研究了石墨烯基柔性超级电容器的力学和电化学性能，目的是为军用柔性电子器件开发储能装置。在美国海军研究办公室等机构的资助下，麻省理工学院研究发现，揉皱的“石墨烯纸”可用于为柔性电子设备创建可伸缩的超级电容器，在可穿戴或可植入传感器的柔性电源方面有发展潜力。2016年，新加坡南洋理工大学公布了其研发的专供可穿戴电子设备使用的石墨烯基超级电容器，除可用于压力和化学传感外，还适用于各类小型智能装备。为减少士兵的电池负重，美军一直在研发安装在膝盖上可收集热量和运动能量，并转化为电能的储能装置，石墨烯柔性储能技术为此提供了发展方向。