高比能鋰離子電池殼體設(shè)計(jì)

郝永輝，陳軍，焦萌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

高比能鋰離子電池殼體設(shè)計(jì)

郝永輝，陳軍，焦萌

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

為滿足某型號(hào)航天器對(duì)高比能量的要求，根據(jù)任務(wù)要求，電池殼體材料選用了高比強(qiáng)度的鋁合金材料，通過材料選型、有限元分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的新型電池殼體結(jié)構(gòu)可以滿足安全系數(shù)和疲勞次數(shù)要求，使單體電池比能量提高5%以上，滿足航天器型號(hào)需求。

航天器；圓柱形；鋰離子蓄電池；殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋰離子蓄電池具有高比能量、低自放電率、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，自1991年商品化以來迅速成為蓄電池市場(chǎng)的重要產(chǎn)品。在空間應(yīng)用方面，鋰離子蓄電池已經(jīng)取代鎘鎳、氫鎳蓄電池成為空間儲(chǔ)能電源的主力軍。國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)射的GF-1衛(wèi)星、GF-9衛(wèi)星、新一代導(dǎo)航衛(wèi)星、老撾一號(hào)衛(wèi)星等諸多型號(hào)的儲(chǔ)能電源都在使用鋰離子電池。國(guó)外已經(jīng)發(fā)射的使用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能電源的型號(hào)有Amazonas、W2A、Galileo IOV(2/4)、IntelSat-15等上百個(gè)型號(hào)。

使用鋰離子電池代替隔鎳、氫鎳蓄電池作為航天器的儲(chǔ)能電源，可以將電源分系統(tǒng)所占質(zhì)量從30%～40%降至10%～15%，大大降低發(fā)射成本，增加有效載荷[1]。據(jù)美國(guó)學(xué)者分析把減輕的1 kg作為有效載荷的話，將會(huì)帶來10萬美元以上的經(jīng)濟(jì)效益。千方百計(jì)提高電源分系統(tǒng)的比能量，有效減輕分系統(tǒng)各部件的質(zhì)量，尤其是蓄電池的質(zhì)量，將對(duì)提高航天器比功率做出重要貢獻(xiàn)[2]。

我國(guó)某航天器型號(hào)對(duì)鋰離子蓄電池的比能量提出了更高要求。除使用高比能的電極材料外，減輕單體電池結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量也是提高比能量的重要途徑，由上蓋、下蓋、電池殼組成的電池殼體占到單體結(jié)構(gòu)質(zhì)量的90%以上。電池殼體起到對(duì)內(nèi)部電化學(xué)系統(tǒng)固定及全密封作用。殼體強(qiáng)度是考核其工作能力的主要指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)外航天器儲(chǔ)能電源中長(zhǎng)壽命、高可靠的鋰離子蓄電池普遍在使用圓柱形殼體結(jié)構(gòu)，材料使用鋁合金。而選用更高比強(qiáng)度的材料制造殼體，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效降低單體結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可使單體電池比能量提高5%以上。

1 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)選型

全密封鋰離子蓄電池組外殼形式有三種，分別是圓柱形、長(zhǎng)圓形、方形。

電池的正極、負(fù)極、隔膜、電解液組成的電芯置于殼體內(nèi)，電池在充放電過程中產(chǎn)生一定量的氣體，形成對(duì)殼體的內(nèi)部氣體壓力。同時(shí)，電芯也會(huì)膨脹，膨脹力主要作用于與電芯接觸部位的殼壁部分，電池殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須足以抵抗電芯膨脹力而不能發(fā)生破裂，而其反作用力又加在電芯上起到固定電芯的作用，重要的是這個(gè)反作用力還會(huì)影響到電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)。

圖1、圖2、圖3分別是三種外殼形式的鋰離子電池外形及其沒有外部包覆的殼體受力分析圖。從圖中可以看出圓柱形電池受力最為均勻，電芯受力一致性較好，因此所研制的單體電池使用圓柱形結(jié)構(gòu)。

所設(shè)計(jì)電池外殼結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，電池上蓋、下蓋、電池殼使用電子束焊接方式和帶有密封結(jié)構(gòu)的極柱組成全密封的電池外殼結(jié)構(gòu)。

1.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

根據(jù)單體電池容量需求和長(zhǎng)徑比關(guān)系，所設(shè)計(jì)電池外殼直徑為55 mm。鋰離子蓄電池在反應(yīng)過程中會(huì)產(chǎn)生氣體，電池內(nèi)部會(huì)形成一定的氣壓，由于在電化學(xué)反應(yīng)過程中電極膨脹還會(huì)帶來電池芯膨脹，對(duì)固定電池芯部分的殼體在圓周方向產(chǎn)生一個(gè)拉應(yīng)力。電池外殼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要大于電池內(nèi)部電芯膨脹力和在工作中產(chǎn)生的氣體壓力之和乘以安全系數(shù)。

圖1 圓柱形電池殼及其受力分析

圖2 長(zhǎng)圓形電池殼及其受力分析

圖3 方形電池殼及其受力分析

圖4 圓柱形鋰離子蓄電池殼體設(shè)計(jì)模型圖

使用原有結(jié)構(gòu)對(duì)電池殼壁所受壓力和內(nèi)部氣體壓力進(jìn)行了測(cè)試。使用應(yīng)變片在殼壁粘貼成橋式電路形成壓力傳感器，使用氣壓標(biāo)定，在極柱部位連接密封的氣體壓力傳感器,這樣測(cè)得的殼壁壓力是氣體壓力和電芯膨脹壓力的疊加。電池的電壓越高內(nèi)部壓力越大，在初期電池使用的最大電壓4.0 V，末期使用到4.15 V，4.4 V為保護(hù)電壓(表1)。

????????????????/V????/MPa ????/MPa 4.00 2.53 0.15 4.10 2.90 0.16 4.15 3.13 0.17 4.20 3.46 0.17 4.30 4.09 0.19 4.40 4.55 0.20

1.3 材料選擇及厚度設(shè)計(jì)

目前鋰離子蓄電池外殼材料普遍使用鋁合金材料，牌號(hào)為3003，對(duì)應(yīng)國(guó)標(biāo)牌號(hào)為3系鋁合金的3A21，主加元素為錳。這種材料具有優(yōu)良的耐蝕性、焊接性，但是強(qiáng)度較低。經(jīng)過手冊(cè)查找及市場(chǎng)調(diào)研，確定了一種更高比強(qiáng)度的新的鋁合金材料也非常適合制造鋰離子單體電池殼體。表2是我們比較關(guān)心的這兩種材料的性能參數(shù)對(duì)比(其他參數(shù)未全部列出)，從表中可以看出新材料具有更高的比強(qiáng)度。

????????????????????? ??/(g?cm) ?????b/MPa??? 2.66 340 3A21 2.73 200

從表1中可以看出電池內(nèi)部氣壓較小，電池外殼承力部分主要在圓柱形的電池殼內(nèi)壁上。電池殼承壓按電池4.2 V時(shí)的壓力3.46 MPa計(jì)算。

按薄膜應(yīng)力理論計(jì)算[3]，電池外殼實(shí)際所受應(yīng)力公式：

式中：P為殼壁壓力，MPa；D為圓柱體直徑，55 mm；S為圓柱體壁厚。在電池殼體耐壓設(shè)計(jì)中必須滿足下述公式：

式中：sb為材料的抗拉強(qiáng)度；f為安全系數(shù)，要求不小于3。

使用新材料制造的電池殼，按照上述公式計(jì)算得出的最小壁厚應(yīng)為0.84 mm，結(jié)合加工工藝確定殼體基本尺寸為0.9 mm，安全系數(shù)3.21，滿足要求。

在實(shí)際使用中存在4.4 V的故障模式，電池在4.4 V時(shí)的安全系數(shù)，計(jì)算值為2.44，電池殼體不會(huì)發(fā)生破裂。

在實(shí)際應(yīng)用和材料分析中發(fā)現(xiàn)新材料的焊接性能不如3A21材料。上蓋、下蓋都是和殼體使用電子束焊接方式進(jìn)行連接的。進(jìn)行了焊口加強(qiáng)型的設(shè)計(jì)，如圖5所示，焊口焊接區(qū)域比直壁部分厚度超過30%，使殼體耐疲勞性能由5 000次提高到了6 500次，有效提高了焊接強(qiáng)度。

圖5 電池殼與上、下蓋的焊口

1.4 仿真計(jì)算

由于薄膜應(yīng)力理論忽略了圓柱殼體的彎矩和彎曲應(yīng)力，計(jì)算上存在一定的誤差，因此使用ANSYS 14.5軟件進(jìn)行了仿真計(jì)算，有限元模型使用了實(shí)體單元進(jìn)行建模，共劃分29 642個(gè)節(jié)點(diǎn)，14 940個(gè)單元。所得電池殼體應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 電池殼體應(yīng)力分布

由圖6可知電池外殼焊縫處應(yīng)力值為38.926 MPa，使用電子束焊接的焊縫符合一級(jí)焊縫標(biāo)準(zhǔn)，焊縫抗拉強(qiáng)度不小于母材的90%以上，即340×0.9=306 MPa。則焊縫處的安全系數(shù)至少為306/38.926=7.86，滿足不小于3的要求。在殼壁部分的應(yīng)力達(dá)到108.88 MPa，安全系數(shù)3.12，同樣滿足不小于3的要求。通過仿真計(jì)算證明殼體設(shè)計(jì)滿足要求。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)新研制的電池殼體進(jìn)行了壓力爆破實(shí)驗(yàn)、耐循環(huán)壓力的疲勞實(shí)驗(yàn)、氦質(zhì)譜漏率測(cè)試。

壓力爆破實(shí)驗(yàn)使用油壓方式，電池殼體內(nèi)充滿液壓油，使用油壓機(jī)持續(xù)加壓，壓力超過3 MPa時(shí)每增加0.5 MPa，使壓力保持1 min，以保證殼體內(nèi)部各處所受壓力均衡。爆破壓力考核結(jié)果表明，殼體最終爆破壓力為10.8 MPa，爆破處為單體電池殼體柱段，可見正常工作電壓下，該種殼體實(shí)際安全系數(shù)不小于3.12；即使在單體電壓達(dá)到4.4 V的故障模式下，電池殼的安全系數(shù)也能達(dá)到2.44，不會(huì)發(fā)生破裂危害其它設(shè)備。圖7為電池殼體壓力爆破后的照片。

圖7 爆破壓力實(shí)驗(yàn)后的殼體照片

疲勞實(shí)驗(yàn)同樣使用油壓的方式，壓力循環(huán)幅度0～1 MPa，進(jìn)行6 500次循環(huán)后，電池殼體未泄漏，無形變。該型號(hào)電池實(shí)際充放電使用次數(shù)不超過2 000次，滿足使用要求。圖8是進(jìn)行壓力疲勞實(shí)驗(yàn)后的電池殼體照片。

圖8 壓力疲勞實(shí)驗(yàn)后的殼體照片

經(jīng)氦質(zhì)譜正壓檢漏，新研制的電池殼體漏率值小于1×10－9Pa·m3/s。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，為該型號(hào)航天器研制的高比能鋰離子電池安全可靠，滿足使用要求。

3 結(jié)論

為滿足航天器產(chǎn)品對(duì)儲(chǔ)能電池更高比能量的要求，減輕單體電池結(jié)構(gòu)質(zhì)量是重要的措施之一。選用更高比強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)材料可以有效地減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

本文根據(jù)電池工作過程中產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)，對(duì)電池殼體厚度的設(shè)計(jì)使用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合有限元軟件進(jìn)行強(qiáng)度校核，設(shè)計(jì)依據(jù)比較充分，避免了反復(fù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，節(jié)省成本和時(shí)間。焊口加強(qiáng)型的設(shè)計(jì)有效提高了電池疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而提高了可靠性。

使用更高比強(qiáng)度的鋁合金材料設(shè)計(jì)的電池殼體，質(zhì)量減輕了60 g，使單體比能量提高5%以上。電池殼體安全系數(shù)、疲勞能力、密封性均能滿足航天器型號(hào)的使用要求。

[1]李國(guó)欣.新型電源技術(shù)概論[M].上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

[2]徐福祥.衛(wèi)星工程[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2007.

[3]王國(guó)璋.壓力容器設(shè)計(jì)使用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2013.

High specific energy lithium-ion battery case design

HAO Yong-hui,CHEN Jun,JIAO Meng
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

To meet some requirements of spacecrafts for high specific energy power sources,high specific strength aluminium alloy was chosen as lithium-ion battery case material.Through material selection,finite element analysis and experimental verification,this new type battery case structure could meet the needs of safety coefficient and anti-fatigue requirements.The specific energy of cell is improved more than 5%;hence the new structure can meet the requirements of spacecrafts.

spacecraft;cylindrical type;lithium-ion battery;case design

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1578-02

2016-01-27

郝永輝(1981—)，男，河北省人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g用蓄電池。