锂离子电池作为空间储能电源的研究进展

锂离子电池作为空间储能电源的研究进展

安晓雨谭玲生

中国电子科技集团公司十八研究所天津２９６信箱，邮编：３００３８１，ｋｚ＠ｔｉｐｓ．ａｃ．ｃｎ

摘要锂离子电池由于具有高的比能量、低的热效应、无记忆效应等突出优点，将成为继镉镍电池、氢镍电池之后的第三代卫星、空间航天器用储能电源，国外已经开始在空间飞行器上应用锂离子电池作为

储能电源。本文介绍了新型锂离子电池储能电源的反应机理、电池的研究进展及国外锂离子电池在空间电源的应用情况。

关键词锂离子电池；空间电源：比能量；电池容量

引言

在太空中，飞行器不可能总是面对着太阳。当飞行器位于地影期时，太阳电池也就不能正常工作，需要储能的蓄电池供电。２０世纪９０年代研制开发的锂离子电池具有比能量高、热效应小、无记忆效应等突出优点，其比能量是氢镍电池的２倍，是镉镍电池的４倍，非常适合空间储能电源的发展需要，正逐步成为继镉镍电池、氢镍电池之后的第三代空间储能电源。目前，锂离子电池作为空间储能电源已经在ＳＴＥＮＴｏＲ通信卫星上使用，在最近欧空局（ＥＳＡ）发射的火星快车中和美国发射的勇气号和机遇号火星探测器中也采用了锂离子电池作为其储能电源。锂离子电池作为空间飞行器储能电源的发展势头非常强劲。表ｌ是三种空间储能电源的性能对比¨Ｊ。

由表中数据可以看出，氢镍电池的比能量是镉镍电池的两倍，可以通过监测电池内部的气压来表征电池的荷电状态，不足之处是电池的自放电明显大于镉镍电池；锂离子电池具有更高的比能量，是镉镍电池的四倍，可以显著减轻电池组的重量。同时锂离子电池还具有热效应小、自放电小、无记忆效应、可以通过监测电池的电压来表征电池的荷电状态，便于模块化设计等突出优点，不足之处是电池组的管理较为复杂，需要先恒流后恒压充电，并辅以均衡技术。本文介绍了新型锂离子电池作为空间用储能电源的研究进展。

表１

项目

重量比能茸（Ｗｈ／ｋｇ）体积比能量（ｗ｜ｌ，Ｉ）能量效率（％）热效应（范围ｌ～１０）

自放电（％／天）记忆效应能毒计量／监测充电方式模块化

空间储能电源的性能比较

Ｌｉ／ｉｏｎ

Ｈ２／Ｎｉ

Ｃｄ／Ｎｉ

１２５６０３０

３００９０１５０

９６７０７２

３１０８

０．３５～７ｌ

无电压恒流恒压＋均衡

好

轻微内部气压恒流否

有无恒流否

３

１

锂离子电池的反应机理

锂离子电池的正极活陛物质是层状ＬｉＣ００２、负极活性物质则为碳材料

其反应机理史际是Ｌｌ＋在ＪＦ负极

材料之间的嵌入和脱嵌，如图１所示；

锂离ｒ电池的这种利用Ｌｉ＋在正负极材料中嵌入或脱肤从而完成充放电过程的反应机理称为摇椅式机制．其特点是：ｆ１）充电时，Ｌ－＋正极材料脱嵌经过｝Ｕ解液嵌入到负极材料的品格中；放电时Ｌｌ＋从负极榭料中脱嵌经Ｊ』电解液同刮正极制料－｝Ｉ，没有副反麻发生，所以，充放电寿命长，（２）电池Ｔ件ｒＥＪｈ高，锂离ｒＩＵ池枘标称电ｎ、为３６Ｖ，

镉镍也池和氯镍ＩＵ池的标称电爪均为１

２Ｖ，

节

锉离子电池的１Ｕ址相’Ｊ一节串联铺镍电池或＝爹勰

节串联氢镍电池的电１６．（３Ｊ比能最高，锂离ｆ电ｔⅡ＆＆：Ｃｏｏ札ＡｆＦ§｝兰ＬｉＣｏＯ，

ｍａ＆＆：ＬｉＣ‘《％出Ｌ＾。心

池的比能量选刮１２０Ｗｈ／ｋｇ以ｒ，址氢锦电池的２ｎ＆：ＣｏＯ？＋ＬｉＣ＾磺一Ｌｉ（２００ｒ．＿Ｃ‘

倍，足镉镍电池的４倍（４）锂离ｆ电池尢ｔＬ匕效应；（５）锉离子电池自放电半小。

目１≈随｝ｍ№的反Ｊｉ机《

２空间飞行器用锂离子电池的全密封设计

作为宁删Ｅ行器用锂离ｒ电池，首先耍进行全密封设计。从锂离ｒＩＵ池的反应机理可以看到，锂离ｆ电池的充放电过程实际Ｌ是“＋枉正负极材料中嵌入或脱嵌。在正常充般电条仆下，没有剐反麻发牛，没有气体产生，有利十电池的全密封吐计。

空问锂离子电池的全崭封设计主要借监，卒州用镉镍电池和钮镍电池的密封设计技术。旧内外电池的壳体与电池盖的密封一般采丌】激光焊接工艺羊兀氲弧埠群接Ｔ岂进行密封焊接。电池极托与电池壳体的绝缘带封主要采卅Ｊ矗缩密封技术和陶瓷密封技术。中国电子科技集团公司ｔ－／ｋＳ）ｆ究所研制开发成功卒州用钝离子电池的压缩密封技术，电池经过耐辐照考核后，卅氧质谱榆漏测试电池的密封性能，其漏气率小于１０…Ｐａ ｍ。／ｓ，达到了空铷用电池的争密封要求。表２是电池耐辐照前后的漏气率测试。

表２

ｉ间用锂离子自池％月前后的密封性ｄ试数据

３空间飞行器用锂离子电池循环寿命性能的研究

锂离子电池能否在空问领域得到应用．关键在于其足雨能够满足宅问飞行器对电源的长寿命要求。法国ＳＡＦＴ公司首先采用１８６５０型锂离子电池对锂离于电池的循环寿命性能进行，探索陛研究，其模拟低轨卫星运行周期１０％ＤＯＤ的循环寿命已超过１０万次，完全能够满足低轨卫星对电源的长寿命要求。表３是其在不同放电深度下的循环寿命数据。

致力于空间电源研究的第十八研究所模拟低轨卫星运行周期开展了一系列循环寿命试验。图２是空间用典型产品３０％ＤＯＤ的循环寿命曲线。目前已进行了１１０００次循环，按照电池电压与循环寿命变化趋势推算，电池的循环寿命可达到５００００次以上。

表３

ＳＡＦＴ公司１８６５０电池不同放电深度下的循环寿命数据

循环

放电深度ＤＯＤ

次数

损失率

增加率

３

容量

内阻

４５

４

Ｐ０

ｌ％

１。１０５，５００

０％

Ｏ％

Ｙ＝一２Ｅ一０５ｘ＋３．７４９５

１０％

１０７，１５０

６％２ｌ％

１５％

８７，５００

８％３０％

３０％

９３，４７３１８％４１．２％

图２空间用锂离子电池３０％ＤＯＤ的循环寿命曲线

近年来ＳＡＦＴ公司采用其典型产品ＶＥＳｌ４０Ｓ型锂离子电池进行了大量的模拟高轨卫星的循环寿命试验，试验结果表明，锂离子电池可以满足高轨卫星１５年的寿命要求‘２１。表４是ＳＡＦＴ公司模拟高轨卫星的循环寿命数据。

表４

ＳＡＦＴ公司的ＶＥＳｌ４０Ｓ型锂离子电池的模拟高轨循环寿命数据

已进行的

型号

放电深度ＤＯＤ

阴影期循环数

ＧＥＯｌＧＢ０２ＧＥ０３ＧＥ０４ＧＥ０６ＧＥ０７ＧＥ０８ＧＥ０９ＧＥ０１０

４０％８０％６０％６０％８０％８５％７０％９０％７０％

３４

容量衰降情况

测试值

８．０％１０．９％６．１％２．Ｏ％４．０％３．５％１６．Ｏ％０．８％Ｏ．５％

相当１５年时

７．１％１０．９％９．Ｏ％１２．Ｏ％２．１％３．５％７．９％１．３％１．９

３０２０５５６３０６２１６８

由表中数据可以看到，锂离子电池在７０％ＤＯＤ的放电深度下经过６２个阴影期循环，相当于３１年的循环寿命，电池容量仅衰降１６％。说明锂离子电池具有优异的循环寿命性能。ＳＡＦＴ公司根据不同ＤＯＤ下的循环寿命试验数据进行外推，发现放电深度降低，锂离子电池的循环寿命性能大大增加，与镉镍电池和氢 …… 此处隐藏：4096字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……