锂离子电池技术在航天领域的应用-solarbe文库

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1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net文章编号 1006 - 1630 2000 01 - 0054 - 05锂离子电池技术在航天领域的应用王东 , 李国欣 , 潘延林上海航天技术研究院 811 所 , 上海 200233 摘要介绍了锂离子电池的工作原理、性能特点。主要介绍了 Eagle2Picher 、 Blue2Star 、Yardney 、 SON Y 、 SAFT 等国外研究机构、电池厂商当前在高功率、大容量和长寿命锂离子电池领域的研究成果及今后的发展方向。关键词锂离子电池 ;航天器 ;电源中图分类号 TM919 文献标识码 ATHE TECHN OLOG Y OF L ITHIUM 2ION BATTERIESFOR SPACCRAFT APPL ICATIONWAN G Dong ,L I Guo2xin ,PAN Yan2linNo. 811 Institute of SAST , Shanghai 200233 ,China Abstract This paper briefly describes the working principle and performance of lithium 2ion battery. The latestR Spacecraft ; Power source收稿日期 1999 - 03 - 12 ;修回日期 1999 - 08 - 20作者简介王东 1975～ ,男 ,硕士研究生0 引言锂离子电池具有高比能量、高放电倍率等特点 ,因此对贮能电池电性能、可靠性、安全性要求较高的场合 ,锂离子电池将成为首选对象。美国已将锂离子电池在空间的应用研究列入 21 世纪新卫星计划之一。目前 ,已开展多项对商业锂离子电池空间应用的评估工作 [1 ～ 5] ,美国 Yardney、 Eagle2Picher 公司 ,加拿大 Blue2Star 、 SAF T 和 Varta 等公司纷纷投巨资对卫星用锂离子电池进行研制和开发 [6 ～ 11] ,并已取得初步进展。例如美国 ,Eagle2Picher对 15Ah 锂离子电池已经成功进行了模拟低地轨道 L EO充放循环达 10 000次以上 [12 ] 。1 工作原理、结构和特点1. 1 工作原理锂离子电池是在对锂二次电池研究的基础上发展起来的一种新型二次电池。与锂二次电池不同 ,在锂离子电池中采用能使锂离子嵌入及脱嵌的碳材料取代纯锂作负极。图1 表示了这种电池的工作原理。由图可知 ,该电池的工作过程仅仅是锂离子从一个电极脱嵌 ,进入另一个电极嵌入的过程。具体来45 上海航天AEROSPACE SHAN GHAI 2000 年第 1 期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net说 ,当电池充电时 ,锂离子从正极中脱嵌 ,在碳负极中嵌入 ,放电时则相反。在电池充放电过程中 ,锂离子在两者之间摇来摇去 ,因此人们也形象地称之为摇椅式电池。图 1 锂离子电池工作原理锂离子电池的充放电过程化学方程式可表述如下 Li M O 2 C n充电放电 Li 12x M O2 C nLi x 1式中 , M 为 Co ,Ni ,Mn 等元素。由于利用锂离子在碳中的嵌入和脱嵌反应取代纯锂上的沉积和溶解反应 ,因而锂离子电池较以往的锂二次电池有三个重大技术难点已经突破 a 负极以特种碳电极嵌入锂离子代替常规的金属锂 ,使电池滥用情况下的安全性得以解决。这是以往金属锂二次电池长期未能商品化的主要原因。 b 碳电极在充、放电中不生成锂枝晶 ,避免了由此产生的电池内部短路失效以及爆炸危险 ,使电池寿命和可靠性大为提高。 c 实现了以往锂电池无法做到的快速充电。必须指出 ,过充电时 ,如何防止金属锂的生成 ,提高电池安全性能 ,是锂离子电池研制的重大技术关键。1. 2 电池结构锂离子电池有圆柱形和方形两种。圆柱形锂离子电池的结构图如图 2 所示。方形锂离子电池的截面如图 3 所示。图 2 圆柱形锂离子电池结构图 3 方形锂离子电池截面电池内部为卷绕式结构 ,由超薄型正、负极片之间夹上微孔聚丙烯、聚乙烯复合隔膜卷绕构成。电池正极活性物质为涂覆在集流体铝箔上的嵌锂过渡金属氧化物 LiCoO 2 ,LiNiO 2 ,LiMn 2O4 等。负极活性物质为石墨等碳材料 ,集流体是铜箔。使用六氟磷酸锂 LiPF 6等为电解质的有机电解液。美国 Eagle2Picher 评价过的正极、负极、电解质溶液和隔膜材料 ,如表 1 所示 [7 ] 。锂离子电池也有安全阀装置 ,可释放电55 2000 年第 1 期王东等锂离子电池技术在航天领域的应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net表 1 Eagle2Picher 评价锂离子电池原材料序号组成材料1 正极 LiCoO 2 ,LiNi 0. 3Co0. 7O 2 ,LiNiO 2 ,LiNi 0. 2 CoO2 ,LiMn 2O 4 ,LiMn 4O9 ,LiV 2O 5 ,LiV 6O 132 负极KS244 , KS215 , KS210 , SFG244 , B G239 , SG22933 , RD8407 , MM24 2 XX , MM6 228 , MM20 228 , MM6 210 ,MM20 210 ,EC300 ,EC600 ,Vulcan XC72 ,MM6 2753 电解液 EC/ DEC ,PC/ DEC ,EC/ DMC ,EC/ DMC/ DME ,EC/ DMC/ MA ;LiPF 6 ,LiBF 4 ,LiAsF 64 隔膜 Polyethelene, Polypropylene , PPP ,PTFE , Ryton , Glass池滥用情况下内部产生的气体。此外 ,为防止过流 , 电池还设计安装有正温度系数 PTC热敏元件。1. 3 特点与镉镍和氢镍电池相比 ,锂离子电池有以下优点 a. 工作电压高电压为 3. 6V ,为镉镍和氢镍电池的 3 倍。b. 体积小、重量轻、比能量高通常其重量为相同容量镉镍电池或氢镍电池的一半左右。而锂离子电池的体积为镉镍电池的40 ～ 50 ,为氢镍电池的 20 ～ 30 。这不仅有利于航天飞行器贮能电源的小型化 ,更有利于降低发射成本。c. 可大电流放电可以 1. 5C 倍率电流连续放电。d. 寿命长采用碳负极 ,在充放过程中 ,碳负极不会生成锂枝晶 ,从而可以避免电池内部锂枝晶短路而损坏。 SONY 生产的手机用锂离子电池循环寿命高达 1 200 次以上 ,远高于各类电池。这表明 ,适当地控制电池的放电深度 DOD ,锂离子电池完全能够保证飞行器空间任务的圆满完成。e. 自放电率小月自放电率 ≤ 10 ,远小于氢镍和镉镍电池。f. 可快速充电与金属锂电池不同 ,它的负极用特殊的碳电极代替金属锂电极。因此允许快速充电。采用 1C 充电速率 ,使用恒电流 / 恒电压 CC/ CV 型特种充电器单体终压控制在 4. 2V 可在 1～ 2 h 内充足电 ,而且安全性能大为提高。g. 安全性好电池内没有金属锂 ,适当控制充电电压 ,则在充电过程中不会生成金属锂。h. 允许温度范围宽具有优良的高低温放电性能 ,可在 220° C～ 60° C 之间工作。因此更能胜任太空昼夜温差变化大的环境下的贮能任务。此外 ,锂离子电池还具有无记忆效应和无环境污染等优点 ,综合性能优于铅酸、镉镍、氢镍和金属锂电池 ,是 90 年代最先进的电池体系。2 在航天应用的初步研究美国著名的从事卫星贮能电源研制和生产的 Eagle2Picher 公司认为 ,高可靠性地完成空间任务 ,锂离子电池须达到表 2 所列指标 ,才有可能替代目前在航天飞行器上使用的镉镍和氢镍电池 [7 ] 。表 2 航天用锂离子电池所需的性能指标性能指标循环次数 / 次高轨道 70 DOD 2 500 ;低轨道 40 DOD 35 000寿命 / a 3 贮存期 ;10 在轨工作时间重量比能量 / Whkg - 1 125 单体 ;110 电池组 1997 年 , Eagle2Picher 还研制出 100Ah锂离子蓄电池 ,性能正在测试中。表 3 为 Eagle2Picher 公司当前锂离子电池研制现状 [7 ] ,其性能指标与实际空间应用还有很大差距。同时 ,许多公司和著名研究机构对在卫星上使用锂离子电池也表现出相当大的兴趣65 上海航天AEROSPACE SHAN GHAI 2000 年第 1 期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net表 3 Eagle2Picher 公司当前锂离子电池研制现状连续放电倍率 C工作温度 / ° C 220～ 35循环寿命 / 次 426 100 DOD C/2 317 50 DOD C/ 2 982 42 DOD C/ 5 当以 1 DOD 放电时 ,可充放大于 650 000 次。 SAF T 公司认为锂离子蓄电池是 21 世纪新卫星计划中首选的电源系统。表 5 为 SAF T 公司设计生产的100Ah 方形电池、 44Ah 圆柱形电池以 C/ 5放电时的主要技术指标 [15 ] 。75 2000 年第 1 期王东等锂离子电池技术在航天领域的应用 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net表 5 SAFT 工业用锂离子电池技术指标技术参数方形电池圆柱形电池单体电池组合电池 6 只重量 / kg 3. 30 1. 10 7. 4尺寸 / mm mm mm 137 53 216 - -体积 / L 1. 57 0. 49 4. 7额定容量 / Ah 115 44 88额定能量 / Wh 415 158 950重量比能量 / Whkg - 1 125 143 128体积比能量 / WhL - 1 265 322 202比功率 80DOD/ Wkg - 1 300 345 300工作温度 / ℃ - 10～ 50 - 10～ 50 - 10～ 50美国 NASA 和空军把使用锂离子电池作为空间任务的一个里程碑 [16 ] 。 NASA 计划把锂离子电池技术用于星际登陆器、星际徘徊者、星际轨道器、地球同步轨道 / 低地球轨道飞行器和其他航天设备 ,如 “ 火星” 2001 、“ 火星” 2003 、“ 火星” 2005。美国空军计划把锂离子电池技术用于不同用途的无人飞行器、军用飞机和地球轨道飞行器上。美国NASA 和空军提出 ,空间应用的锂离子电池应满足 28～ 100 V 工作电压、 10～ 200 Ah电容量、 60 ～ 80 DOD 的充放电循环和25 ～ 40 DOD 下的 30 000 次充放电循环。某些深空探测任务要在 - 40° C 以下工作。为此 ,一个 NASA/ DOD 联合项目将用于开发 NASA 和 DOD 未来任务所需的锂离子电池技术。其目标为改善低温性能 ;验证GEO和 L EO 任务的长循环寿命 ; 开发未来各种任务所需的不同尺寸的单体 6 ～100Ah 和电池组 16～ 300V ;开发现代电池智能化管理的电子控制装置 ;建立在美国本土具有制造锂离子电池的能力。大量实验证明 ,电池的比能量、充放电率、充放电寿命及密封性能均可以满足航天要求 ,在 GEO/ L EO 轨道上使用 ,更具优势。但是在锂离子电池真正得到航天实际应用之前 ,还有许多技术难题需要攻克 ,如超长充放电能力、大功率输出时的安全问题和电池组充放电控制技术等。3 结束语目前 ,在国内有可能在航天领域应用的大容量锂离子电池如数十安时的研制 ,尚属空白。为此 ,我们应开展锂离子电池技术的预研工作 ,如 ,大容量电池及电池组全密封技术 ;大容量电池及电池组的热设计 ;电池充放电保护电路研究 ;空间力学环境模拟 ;电池组模拟地球轨道充放电时的寿命考核 ;可靠性包括一致性、安全性、稳定性论证。参考文献[ 1 ] Mark J , Marsha E , Roger P. 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All rights reserved. http//www.cnki.netb. 标准偏差与相对标准偏差在分析测试中 ,用数理化统计方法对钾的精密度进行评价 ,结果表明 ,其精密度良好 ,准确度也高。在这种情况下 ,测定的速度也比经典的化学分析快得多 [2 ] ,而且也简便得多。其分析数据符合课题所要求的相对标准偏差不超过1. 0 见表 3 。表 3 标准偏差与相对标准偏差 n 10元素测定值 / μ gmL - 1 平均值 x 标准偏差 SD 相对标准偏差 / K6. 25 ; 6. 27 ; 6. 22 ;6. 24 ; 6. 26 ; 6. 23 ;6. 20 ; 6. 17 ; 6. 22 ;6. 186. 22 0. 033 0. 5312. 26 ; 12. 31 ; 12. 42 ;12. 35 ; 12. 18 ; 12. 33 ;12. 43 ; 12. 36 ; 12. 51 ;12. 2712. 34 0. 095 0. 773 结论综上所述 ,用 Air 2C2 H2 原子吸收法测定热电池 DEB 粉中的钾含量时 ,其精度与准确度均能满足热电池研制工作的要求。而且原子吸收法大大简化了分析手续 ,同时具有灵敏度高、重现性好、易掌握等特点。用化学分析方法测定热电池 DEB 粉中的钾含量 ,其准确度低 ,重现性差 ,含钾量往往难以正确定量 ,效果不理想。对样品进行 10 次测定的结果表明 Air 2C2H2 原子吸收光谱法的相对标准偏差均小于 1. 0 ,标准加入回收率在 98 ～ 100 范围 ,完全适用于热电池 DEB 中的钾含量的测定。从而证明在当前的分析与测试领域中 ,用 Air 2C2 H2 原子吸收光谱法测定热电池DEB 粉中的钾含量属于一种较好的仪器分析方法。参考文献[ 1 ] John Edword Cantle. Atomic absorption spec2trometry. Elseier Publishing Company. NewYork , 1982 313～ 315.[ 2 ] Pearl C. Quantitative chemical Analysis. W. 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