民用航空鋰離子電池的發(fā)展與應(yīng)用研究

摘 要：鋰離子電池相對(duì)于鎳鎘、鉛酸等傳統(tǒng)電池來(lái)說(shuō)，具有能量密度高，工作電壓高，自放電率低，循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電效率高，工作溫度范圍寬、環(huán)境污染小等優(yōu)良特點(diǎn)，是現(xiàn)代高性能電池的發(fā)展方向，已廣泛用于手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)車(chē)等消費(fèi)領(lǐng)域，同時(shí)在民用飛機(jī)、空間探測(cè)器等航空航天領(lǐng)a域中也擁有廣闊的應(yīng)用前景。文章研究了民用航空鋰離子電池的發(fā)展、應(yīng)用以及面臨的安全性風(fēng)險(xiǎn)，闡述了民用航空鋰離子電池相關(guān)的適航和安全標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：民用航空；鋰離子電池；發(fā)展；應(yīng)用

1 鋰離子電池簡(jiǎn)介

鋰離子電池是一種二次電池，由正極、負(fù)極、隔膜和電解液四部分構(gòu)成。充電時(shí)，鋰離子從正極中脫出，在負(fù)極中嵌入，放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極中脫出，在正極中嵌入，圖1給出了鋰離子電池結(jié)構(gòu)和充放電原理示意。

圖1 鋰離子電池結(jié)構(gòu)和充放電原理示意

通過(guò)表1中鋰離子電池與鎳鎘電池、鉛酸電池性能對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鋰離子電池具有能量密度高，工作電壓高，自放電率低，循環(huán)壽命長(zhǎng)，充放電效率高，工作溫度范圍寬、環(huán)境污染小等優(yōu)良特點(diǎn)，是現(xiàn)代高性能電池的發(fā)展方向[1]。

表1 鋰離子電池、鎳氫電池、鉛酸電池性能對(duì)比

2 鋰離子電池的發(fā)展

20世紀(jì)70年代?？松镜腗.S.Whittingham提出并開(kāi)始研究鋰電池，他采用硫化鈦?zhàn)稣龢O材料，金屬鋰作為負(fù)極材料，制成了首個(gè)鋰電池。經(jīng)過(guò)20余年的研究與發(fā)展，1991年索尼公司成功發(fā)布首個(gè)商用鋰離子電池。隨著數(shù)碼產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能得到廣泛應(yīng)用，并逐步向其他應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。而最近20年來(lái)，研發(fā)能量密度更高，循環(huán)壽命更更長(zhǎng)，安全性更高的大功率高性能鋰離子電池一直是是世界高性能二次電池科學(xué)技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)。

為了開(kāi)發(fā)出性能更加優(yōu)異的鋰離子電池，研究人員對(duì)作為鋰離子電池核心和關(guān)鍵的新型儲(chǔ)鋰材料和電解質(zhì)材料開(kāi)展了大量的研究與開(kāi)發(fā)。其中，為了研發(fā)電位高、密度大、安全性好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的正極材料，層狀結(jié)構(gòu)材料、尖晶石結(jié)構(gòu)材料、橄欖石結(jié)構(gòu)材料成為重要的研究方向，研究人員分別發(fā)現(xiàn)了層狀結(jié)構(gòu)材料LiMO2，尖晶石結(jié)構(gòu)材料LiMn2O4，橄欖石結(jié)構(gòu)材料LiMPO4，以及其他新型結(jié)構(gòu)材料；為了研發(fā)容納更多鋰離子，具有較高離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率，良好穩(wěn)定性的負(fù)極材料，研究人員重點(diǎn)研究了性能更優(yōu)的嵌入型負(fù)極材料、合金化型負(fù)極材料和轉(zhuǎn)化型負(fù)極材料或?qū)ΜF(xiàn)有的負(fù)極材料進(jìn)行大幅改性；而對(duì)于電解液，為了避免漏液、易燃、易爆等安全性問(wèn)題，正在向固態(tài)電解液方向發(fā)展。[2]

3 鋰離子電池在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著鋰離子電池新材料的出現(xiàn)和鋰離子電池技術(shù)和工藝的改進(jìn)，鋰離子電池的性能大幅提升，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)展，已經(jīng)從民用消費(fèi)領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到了航空航天領(lǐng)域，特別是大容量高功率鋰離子電池在航空領(lǐng)域擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

航空領(lǐng)域民用飛機(jī)的電源系統(tǒng)主要包括主電源、輔助電源、應(yīng)急電源和二次電源等。目前，民用飛機(jī)大量采用鎳鎘電池，相比于鋰離子電池，具有體積大、重量大、蓄電量和放電電流不足、充電慢等缺點(diǎn)。隨著鋰離子電池技術(shù)成熟和性能提高，高性能大容量鋰離子電池既能夠滿足新一代多電民用飛機(jī)的電源需求，同時(shí)也減輕了飛機(jī)的重量，推動(dòng)了各民機(jī)制造商逐步將其用于飛機(jī)應(yīng)急照明，駕駛艙語(yǔ)音記錄儀，飛行數(shù)據(jù)記錄儀，記錄儀獨(dú)立電源，備用或應(yīng)急電源，主電源和輔助動(dòng)力裝置電源等機(jī)載系統(tǒng)。

波音公司在使用先進(jìn)的大容量高功率鋰離子電池方面較為領(lǐng)先，在其新研的B787型飛機(jī)上采用了由法國(guó)泰雷茲公司生產(chǎn)的鋰離子電池作為主電池及輔助動(dòng)力裝置電池，成為了全球首款在飛機(jī)安全關(guān)鍵系統(tǒng)中采用鋰離子電池技術(shù)的民用運(yùn)輸類飛機(jī)。雖然B787飛機(jī)于2011年8月26獲得了FAA的型號(hào)合格證，但是投入商業(yè)運(yùn)行之后一架日航的該型飛機(jī)于2013年1月7日在美國(guó)波士頓機(jī)場(chǎng)發(fā)生了輔助動(dòng)力裝置電池起火事故，9天后的1月16日，另外一架全日空的該型飛機(jī)又在飛行過(guò)程中發(fā)生了主電池故障，并緊急降落。事后檢查發(fā)現(xiàn)兩架飛機(jī)上均發(fā)生了電池短路造成的熱失控現(xiàn)象，導(dǎo)致殼體嚴(yán)重?fù)p毀，B787飛機(jī)因此停飛了長(zhǎng)達(dá)4個(gè)多月。雖然發(fā)生電池短路的根本原因尚未確定，波音公司還是改進(jìn)了其鋰離子電池系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，確保B787飛機(jī)得以重返藍(lán)天。[3]

空客公司在A380飛機(jī)上的應(yīng)急照明設(shè)備中使用了鋰離子電池，并且原本計(jì)劃采用由法國(guó)電池制造商Saft公司提供的鋰離子電池作為其A350型飛機(jī)的啟動(dòng)和備用電源，但由于波音B787飛機(jī)鋰離子電池起火事故尚無(wú)法確定產(chǎn)生安全問(wèn)題的根本原因，公眾及航空公司對(duì)于鋰離子電池的安全性加重了懷疑?？湛凸窘?jīng)過(guò)評(píng)估，重新采用了已獲得充分驗(yàn)證并廣泛使用的鎳鎘電池?？湛凸驹贏350型飛機(jī)上舍棄鋰離子電池雖然增加了飛機(jī)的重量，但是有效降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，保證了項(xiàng)目的順利開(kāi)展?？湛凸就瑫r(shí)也表示將與Saft公司繼續(xù)開(kāi)展技術(shù)合作，借鑒波音B787飛機(jī)電池事故調(diào)查結(jié)果，研究鋰離子電池在航空領(lǐng)域應(yīng)用的成熟度。相信不久的將來(lái)，A350型飛機(jī)也將會(huì)采用先進(jìn)的鋰離子電池技術(shù)。

國(guó)際先進(jìn)飛機(jī)制造商波音公司和空客公司在其飛機(jī)上使用大容量高功率鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)表明：隨著鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展，能量密度逐漸增大，電池容量逐漸增加，電池體積和重量也在增加，其散熱性和穩(wěn)定性變差，更易發(fā)生熱失控現(xiàn)象，安全問(wèn)題更為突出，已成為制約大容量高功率鋰離子電池在航空領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展的最大瓶頸，民用航空鋰離子的設(shè)計(jì)必須遵循相關(guān)的適航與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)保證其安全性。

4 民用航空鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)

為了保證安全，在民用飛機(jī)上安裝鋰離子電池必須符合民用飛機(jī)相關(guān)的適航標(biāo)準(zhǔn)并獲得適航當(dāng)局的批準(zhǔn)。中國(guó)民航規(guī)章第25部《運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》第25.1353條[4]規(guī)定了安裝鎳鎘電池需要符合的適航要求，但這些適航要求對(duì)于鋰離子電池來(lái)說(shuō)是不夠的。適航當(dāng)局需要根據(jù)中國(guó)民航規(guī)章第21部《民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定》[5]第21.16條的規(guī)定，針對(duì)在民用飛機(jī)上安裝鋰離子電池這一新穎的設(shè)計(jì)特點(diǎn)制定相應(yīng)的專用條件。

從FAA于2007年10月17日針對(duì)B787飛機(jī)上安裝鋰離子電池頒發(fā)的專用條件[6]來(lái)看，主要從電池內(nèi)部溫度壓力、易爆和有毒氣體、可燃液體防火、相鄰結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)、電池過(guò)熱、電池過(guò)充、電池監(jiān)控和告警、持續(xù)適航文件等方面考慮，制定了9條具體的適航要求，構(gòu)成了民用航空鋰離子電池安全標(biāo)準(zhǔn)的核心內(nèi)容。

對(duì)于如何符合上述專用條件中的適航要求，F(xiàn)AA在總結(jié)多年來(lái)民用飛機(jī)鋰離子電池適航審定的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，于2015年10月15日頒發(fā)了咨詢通告AC 20-184《飛機(jī)充電鋰電池和電池系統(tǒng)試驗(yàn)和安裝指南》，指導(dǎo)飛機(jī)制造商結(jié)合自身鋰離子電池設(shè)計(jì)、安裝和使用的實(shí)際情況，選擇適當(dāng)?shù)膶彾鞒?，開(kāi)展相應(yīng)的系統(tǒng)安全性分析，并根據(jù)RTCA 2010年12月8日發(fā)布的DO-160G《機(jī)載設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)程序》、2008年3月13日發(fā)布的《充電鋰電池最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)》以及2013年12月13日發(fā)布的DO-347《中小型充電鋰電池和電池系統(tǒng)審定試驗(yàn)指南》選擇相應(yīng)的環(huán)境條件和試驗(yàn)程序開(kāi)展相應(yīng)的設(shè)備鑒定試驗(yàn)和功能驗(yàn)證試驗(yàn)。該咨詢通告同時(shí)還要求民機(jī)制造商按照咨詢通告AC 20-115C表明鋰離子電池系統(tǒng)中軟件的安全性，按照咨詢通告AC 20-152表明鋰離子電池系統(tǒng)中復(fù)雜硬件的安全性，按照咨詢通告AC 25.856-1表明可燃液體防火條款的符合性。除此以外，鋰離子電池系統(tǒng)還需在設(shè)計(jì)中考慮增加電池健康監(jiān)測(cè)功能，并最終向航空公司提供鋰離子電池相關(guān)的持續(xù)適航文件[7]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著新材料的不斷出現(xiàn)，鋰離子電池技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展和成熟，憑借其優(yōu)越的性能，鋰離子電池在民用航空領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)更為廣泛。目前，我國(guó)民用航空領(lǐng)域大功率鋰離子電池的研究和應(yīng)用尚處空白，未來(lái)在其設(shè)計(jì)、安裝、使用過(guò)程中應(yīng)充分借鑒國(guó)外先進(jìn)飛機(jī)制造商和航空鋰離子電池制造商的經(jīng)驗(yàn)，參考航空鋰離子電池相關(guān)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展具體的試驗(yàn)等工作，表明鋰離子電池相關(guān)適航規(guī)章的符合性，確保民用航空鋰離子電池的安全可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]王海明.鋰離子電池的特點(diǎn)及應(yīng)用[J].電氣時(shí)代，2004（3）.

[2]閆定金.鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀及其前景分析[J].航空學(xué)報(bào)，2014，35（10）.

[3]NTSB， Aircraft Incident Report， Auxiliary Power Unit Battery Fire， Japan Airlines Boeing 787-8， JA829J， Boston， Massachusetts， January 7， 2013.

[4]中國(guó)民用航空規(guī)章第25部，運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)[S].2011-11-7.

[5]中國(guó)民用航空規(guī)章第21部，民用航空產(chǎn)品和零部件合格審定規(guī)定[S].2007-4-15.

[6]FAA Special Condition No.25-359-SC， Boeing Model 787-8 Airplane； Lithium Ion Battery Installation， October 11， 2007.

[7]FAA AC 20-184， Guidance on Testing and Installation of Rechargeable Lithium Battery and Battery on Aircraft， October 15， 2015.