Разработчики глубоководных аппаратов всё чаще отказываются от традиционных герметичных корпусов для аккумуляторных батарей (АКБ). На глубине 2000 метров давление достигает 20 МПа (около 200 атмосфер) и, чем глубже, тем выше давление. В таких условиях металлический корпус, защищающий батарею перестает себя окупать - требуемая толщина стенок начинает доминировать в массе всей системы. Как отмечается в исследовании Northwestern Polytechnical University, опубликованном в журнале Energies, затем наступает "эффект нелинейного увеличения массы": чтобы компенсировать рост массы приходится добавлять ячейки батарей, что требует усиления конструкции, добавления элементов обеспечения плавучести, что добавляет объем и сопротивление - в итоге все это "съедает" эффект добавления ячеек.

В результате удельная энергоемкость литий-ионной ячейки с учетом корпуса, электроники управления и компенсации сокращается до 100-150 Вт.ч/кг. Есть решение - отказ от корпуса в пользу легкой конструкции с компенсацией давления, что может экономить 18.3% массы системы на глубине 6000 м.

Масло или полимер?

Традиционный способ создания бескорпусных батарей - заполнение блока с ячейками диэлектрическим маслом. Жидкость практически не сжимается и передает внешнее давление равномерно, предотвращая локальные деформации.

Канадская Kraken Robotics в своей линейке SeaPower использует запатентованную заливку ячеек и электроники в кремний-органическую полимерную матрицу. Kraken испытала свои изделия под давлением, соответствующим 6000 м. Компания заявляет, что такая герметизация обеспечивает на 200% более высокую энергоемкость и на 46% меньшую массу на кВт.ч по сравнению с масло-компенсированными или корпусными батареями.

Решение Kraken оказалось востребованным - заказчики закупают решения SeaPower, причем несколько производителей АНПА перешли на их использование с других производителей.

Аналогичные разработки ведет General Dynamics Mission Systems с батареей Bluefin мощностью 1.5 кВт.ч на Li-Pol ячейках, устойчивых к давлению и рассчитанных на прямое погружение без корпуса. Компания утверждает, что в эксплуатации находятся уже сотни таких батарей.

Чем приходится платить за решение?

Удаление корпуса не отменяет давления - при длительной гидростатической нагрузке полимерные сепараторы и пористые электроды внутри ячеек деформируются, что приводит к снижению пористости. Меньшая пористость проявляется в росте внутреннего сопротивления. При циклических нагрузках частицы активного материала деформируются и разрушаются, что ускоряет деградацию емкости.

При температурах 0-4°C, электролит литиевых ячеек становится заметно более вязким. В обзоре утверждается, что потенциальная потеря полезной емкости превышает 50%.

При этом, при интенсивной работе (гидролокатор или быстрое движение) тепло, выделяемое батареей, не может быть отведено, поскольку отсек по сути теплоизолирован. Температура может подниматься выше 60°C.

Альтернативы

Вместо хранения электроэнергии можно хранить топливо. Cellula Robotics в начале 2026 года провела испытания AUV Envoy на водородном топливном элементе. Аппарат прошел 2023 км в подводном положении за 385 часов. Аналогичные разработки ведет Пентагон.

В более отдаленной перспективе - применение твердых электролитов, которые достаточно механически жесткие, чтобы противостоять давлению. В теории батарея с твердым электролитом может играть роль несущей конструкции, а не груза, который должен защищать корпус. Но когда такие батареи станут коммерчески доступными пока что не ясно.

Отдельно можно поговорить о металло-водяных батареях, но уже не в этом посте. ||

► SeaRobotics в Telegram | на RoboTrends | в Max