空間鋰離子蓄電池應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望

羅廣求，羅 萍

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

空間鋰離子蓄電池應(yīng)用研究現(xiàn)狀與展望

羅廣求，羅 萍

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

綜述了國(guó)內(nèi)外空間航天器鋰離子電池的發(fā)展和應(yīng)用狀態(tài)，分析了未來空間飛行器對(duì)儲(chǔ)能電池的技術(shù)發(fā)展要求，并對(duì)空間鋰離子蓄電池發(fā)展路徑進(jìn)行了技術(shù)展望。

鋰離子電池；空間；應(yīng)用現(xiàn)狀；技術(shù)展望

鋰離子電池具有比能量高、壽命長(zhǎng)、自放電小、可串并聯(lián)組合設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，已在3C電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、電動(dòng)工具以及地面儲(chǔ)能電站等方面得到廣泛應(yīng)用。上世紀(jì)90年代末期，隨著鋰離子電池技術(shù)成熟度的不斷提升，國(guó)際上開始了鋰離子電池在航天器上的應(yīng)用研究，通過近20年的發(fā)展，目前，鋰離子電池已成為繼鎘鎳電池和氫鎳電池后的第三代空間儲(chǔ)能電源，并逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，顯著提升了空間飛行器的能源技術(shù)水平。本文系統(tǒng)研究了國(guó)際國(guó)內(nèi)空間鋰離子電池的研究進(jìn)展，并根據(jù)空間工程發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)未來空間鋰離子電池技術(shù)發(fā)展需要和方向進(jìn)行了分析和展望。

1 空間鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外空間鋰離子電池發(fā)展現(xiàn)狀

目前，鋰離子電池作為航天器儲(chǔ)能電池已進(jìn)入比較成熟的應(yīng)用階段，截止2016年底，全球有近350個(gè)航天器采用了鋰離子電池作為儲(chǔ)能電源在軌飛行。國(guó)際上，從事空間用鋰離子蓄電池研制開發(fā)的公司主要有法國(guó)的SAFT公司、美國(guó)的Lithion公司(Yardney技術(shù)公司)、日本的湯淺公司和三菱公司以及英國(guó)的AEA技術(shù)公司?？臻g鋰離子電池主要有圓柱形、方形和橢圓形三種結(jié)構(gòu)形式。

1.1.1 圓柱形鋰離子電池

圓柱形鋰離子電池外形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電芯采取卷繞成型結(jié)構(gòu)，圓柱面徑向360°受力均勻，電池殼體長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。法國(guó)SAFT公司是目前國(guó)際上空間鋰離子蓄電池主要制造商，SAFT公司的空間鋰離子電池以圓柱形結(jié)構(gòu)為主，典型產(chǎn)品有圓柱形VES系列、VL系列，如圖1所示。

圖1 SAFT公司的空間鋰離子電池產(chǎn)品系列

SAFT圓柱形VES系列能量型電池產(chǎn)品性能參數(shù)如表1所示，其中以VES180型號(hào)電池容量最大，初始容量50 Ah，比能量165 Wh/kg，滿足低軌8年，高軌15年的壽命要求，型號(hào)應(yīng)用廣泛；VES16型鋰離子電池兼具功率性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，初始容量4.5 Ah，比能量150 Wh/kg，滿足長(zhǎng)期3Ca放電技術(shù)要求，20%放電深度(DOD)循環(huán)次數(shù)達(dá)到6萬次，滿足低軌衛(wèi)星10年壽命需要；VL系列電池為高功率型鋰離子電池，其中VL8P圓柱形鋰離子電池為典型產(chǎn)品，2秒脈沖比功率達(dá)到20 kW/kg。

SAFT公司空間鋰離子蓄電池組的設(shè)計(jì)采取模塊化拼裝形式，依據(jù)母線電壓要求和功率需求進(jìn)行串并聯(lián)數(shù)量的設(shè)計(jì)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)并聯(lián)模塊中單體電池與基座卡套通過膠粘固定，如圖2所示。

SAFT空間鋰離子蓄電池的型號(hào)應(yīng)用覆蓋高軌道、低軌道和中軌道，設(shè)計(jì)壽命覆蓋低軌衛(wèi)星10年，高軌衛(wèi)星15年，截止2016年10月，SAFT公司研制的鋰離子蓄電池在軌型號(hào)已超過182個(gè)[1]，是國(guó)際上鋰離子蓄電池在空間上應(yīng)用最多的制造商。

圖2 SAFT公司空間鋰離子蓄電池組產(chǎn)品P-S組合設(shè)計(jì)

英國(guó)AEA技術(shù)公司選用的鋰離子電池也采用圓柱形結(jié)構(gòu)，該公司通過對(duì)商用18650型電池的評(píng)估，采取S-P組合形式設(shè)計(jì)蓄電池組，如圖3所示。

圖3 AEA公司18650型鋰離子電池電連接拓?fù)渑c蓄電池組設(shè)計(jì)

采用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)包括：?jiǎn)误w容量小，單只電池容量1.5～2.5 Ah。小容量18650型鋰離子電池在進(jìn)行組合時(shí)，可通過串聯(lián)實(shí)現(xiàn)需要的工作電壓，通過并聯(lián)獲得需要的蓄電池容量；電池具備fail-breaker功能，一只電池發(fā)生故障會(huì)發(fā)展為開路模式，可通過冗余設(shè)計(jì)來解決容量不足問題，無須By-pass旁路管理；無需均衡管理，可簡(jiǎn)化蓄電池管理模式；18650型電池來自規(guī)模生產(chǎn)線，制造成本相對(duì)較低；組合結(jié)構(gòu)靈活，可采取嵌入式或者寄生式結(jié)構(gòu)，提升衛(wèi)星空間利用率。AEA技術(shù)公司的小型18650型鋰離子電池在短期壽命小衛(wèi)星領(lǐng)域占據(jù)了一定的市場(chǎng)份額，典型產(chǎn)品有PLEIADES衛(wèi)星、PROBA-1衛(wèi)星和Mars Express等。另外，18650型電池在一些皮納衛(wèi)星的集成電源設(shè)計(jì)上也得到了良好應(yīng)用。

1.1.2 方形鋰離子電池

方形電池相對(duì)圓柱形電池能量密度大，但電池外形結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。國(guó)際上美國(guó)Lithion公司(Yardney技術(shù)公司)在方形鋰離子蓄電池技術(shù)上的研究起步較早，電池種類較多，容量覆蓋10～60 Ah，其10 Ah方形電池成功應(yīng)用于火星探測(cè)器，其產(chǎn)品以及典型應(yīng)用如圖4所示。

圖4 XSS-11衛(wèi)星與火星登陸器用Yardney鋰離子蓄電池(33 Ah)

美國(guó)Eaglepiche公司鋰離子電池單體也采用方形結(jié)構(gòu)，額定電池容量為52 Ah的鋰離子電池采用鈷酸鋰/中間相炭微球材料體系，額定容量為70 Ah的鋰離子電池采用氧化鎳鈷鋁(NCA)/人造石墨(MFG)材料體系。電池產(chǎn)品主要用于高軌通信衛(wèi)星，截止2016年底，應(yīng)用型號(hào)約15個(gè)。

美國(guó)Quallion公司空間方形鋰離子電池容量主要有15 Ah和30 Ah兩種，活性材料體系為NCA/人造石墨(MAG)體系，蓄電池組采用框架拉桿式結(jié)構(gòu)，蓄電池組應(yīng)用型號(hào)約8～10個(gè)，以高軌道衛(wèi)星為主。

1.1.3 橢圓形鋰離子電池

橢圓形鋰離子電池電芯為卷繞式橢圓結(jié)構(gòu)，殼體兼具方形屬性，有利于提升蓄電池組的裝配體積比能量?？臻g橢圓柱形鋰離子電池的研制者主要有日本湯淺公司和三菱公司，其中湯淺公司的鋰離子電池單體容量范圍覆蓋10～190 Ah，代表產(chǎn)品為100 Ah鋰離子電池，主要應(yīng)用型號(hào)為國(guó)際空間站貨運(yùn)HTV和HAYABUSA。另外，其50 Ah和100 Ah橢圓形鋰離子蓄電池在SERVIS-1衛(wèi)星和ThaiCom-4衛(wèi)星中得到應(yīng)用。

日本三菱公司空間鋰離子單體結(jié)構(gòu)與GS湯淺類似，也采用橢圓形結(jié)構(gòu)。為防止橢圓形電池形變對(duì)蓄電池組結(jié)構(gòu)的破壞，三菱公司在蓄電池設(shè)計(jì)上采取筐體結(jié)構(gòu)，單體電池之間采取了碳纖維擋板隔離設(shè)計(jì)方法，如圖5所示。該設(shè)計(jì)不僅顯著提升了材料強(qiáng)度，同時(shí)相對(duì)鋁合金結(jié)構(gòu)材料，質(zhì)量降低12%，導(dǎo)熱能力提升20%以上。

圖5 日本三菱公司的衛(wèi)星用鋰離子蓄電池組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例

1.2 國(guó)內(nèi)空間鋰離子電池的發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)空間鋰離子電池工程技術(shù)研究始于2000年前后，主要研制單位有中電18所和航天811所。2008年，鋰離子電池在“神七”伴星和“希望一號(hào)”小衛(wèi)星中開始了空間應(yīng)用。截止2016年，我國(guó)鋰離子電池已成功應(yīng)用于包括高分衛(wèi)星、試驗(yàn)衛(wèi)星、嫦娥三號(hào)、導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等近50個(gè)型號(hào)，型號(hào)覆蓋低軌道、中軌道、高軌道和深空軌道，壽命滿足低軌1～5年，高軌10～15年要求。

單體電池技術(shù)上，中電18所研制的空間鋰離子電池以圓柱形電池為主，容量包括 10、15、20、25、30、45 和 50 Ah，產(chǎn)品比能量120～200 Wh/kg，滿足低軌5～8年、高軌15年壽命要求，目前在軌型號(hào)超過25個(gè)，全部工作正常，其中“希望一號(hào)”小衛(wèi)星鋰離子蓄電池在軌工作滿足6年，我國(guó)首顆設(shè)計(jì)壽命為5年的低軌應(yīng)用衛(wèi)星“高分一號(hào)衛(wèi)星”80 Ah鋰離子蓄電池在軌已接近4年，蓄電池工作穩(wěn)定、電性能未見明顯衰降。

811所空間鋰離子電池主要以方形電池為主，在軌應(yīng)用型號(hào)超過20個(gè)，“神七”伴星10 Ah蓄電池組是我國(guó)鋰離子電池的首次應(yīng)用，取得良好效果，其他型號(hào)應(yīng)用以中低軌衛(wèi)星型號(hào)為主，方形單體組成的電池組體積相對(duì)較小，有利于節(jié)省安裝體積。

2 空間鋰離子電池的發(fā)展趨勢(shì)

2.1 空間應(yīng)用需求趨勢(shì)

空間儲(chǔ)能電池始終以滿足空間平臺(tái)和載荷的用電需求為目標(biāo)，故空間型號(hào)的軌道條件、用電工況是蓄電池設(shè)計(jì)的工程基礎(chǔ)。從空間應(yīng)用發(fā)展來看，鋰離子電池必須具備以下技術(shù)能力：

(1)工作壽命長(zhǎng)，隨著電子元器件技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，空間型號(hào)的電子產(chǎn)品性能不斷提升、工作壽命越來越長(zhǎng)，以衛(wèi)星為代表的空間型號(hào)，其工作壽命取決于所攜帶燃料的多少和電源的保障能力，隨著電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，航天器采用電推進(jìn)技術(shù)替代傳統(tǒng)的燃料推進(jìn)，其壽命將不再受所攜帶燃料的制約，主要取決于電源的壽命能力，儲(chǔ)能電池作為航天器電源的關(guān)鍵部件，其性能是電源分系統(tǒng)的核心所在，因此，儲(chǔ)能電池工作壽命的顯著增長(zhǎng)是未來低軌衛(wèi)星延長(zhǎng)至12年以上，高軌衛(wèi)星提升至18年以上的關(guān)鍵所在；

(2)輕量化、高比能化，航天器的發(fā)射成本高，達(dá)每千克數(shù)萬元，輕量化設(shè)計(jì)是航天器產(chǎn)品一貫追求的目標(biāo)，儲(chǔ)能電池的比能量從鎘鎳電池30 Wh/kg發(fā)展到氫鎳電池約60 Wh/kg，再發(fā)展到鋰離子蓄電池的100～150 Wh/kg，電池的換代升級(jí)對(duì)空間型號(hào)的輕量化設(shè)計(jì)做出了巨大貢獻(xiàn)，目前，新一代空間型號(hào)要求儲(chǔ)能電池能量密度越來越高，SAFT公司瞄準(zhǔn)2020年推出200 Wh/kg級(jí)高比能鋰離子蓄電池[2]，對(duì)應(yīng)單體電池比能量達(dá)到250 Wh/kg以上；

(3)大功率放電要求，隨著空間型號(hào)有效載荷的技術(shù)發(fā)展，以合成孔徑雷達(dá)(SAR)、激光或者微波設(shè)備為代表的大功率載荷對(duì)儲(chǔ)能電池的供電能力提出了新要求，蓄電池需具備提供短期5C～10C或者瞬時(shí)100C以上的放電能力，這對(duì)功率型鋰離子電池提出了新的挑戰(zhàn)，因此，空間高功率和超高功率鋰離子電池是空間鋰離子電池的重要發(fā)展方向，SAFT公司VL16功率型鋰離子電池具備3C長(zhǎng)壽命放電能力，VL34P高功率鋰離子電池2秒脈沖放電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)20 kW/kg，達(dá)到100C以上，正在瞄準(zhǔn)150C以上放電目標(biāo)開展研究，這是工程應(yīng)用的必然需要；

(4)一體化集成設(shè)計(jì)，以千克級(jí)或者數(shù)十千克微小衛(wèi)星為代表的空間型號(hào)，衛(wèi)星體積小，整星功率在瓦級(jí)至百瓦級(jí)以內(nèi)，同時(shí)由于整體集成設(shè)計(jì)需要，蓄電池需要與控制電路集成設(shè)計(jì)，要求蓄電池具備異型結(jié)構(gòu)、并可以靈活安裝，基于此類要求，發(fā)展聚合物鋰離子電池或采用18650型電池進(jìn)行集成設(shè)計(jì)是重要方向。

2.2 空間鋰離子蓄電池技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

從電池體系看，空間鋰離子電池與普通商品鋰離子電池并無本質(zhì)區(qū)別，商品鋰離子電池，特別是動(dòng)力電池的規(guī)模生產(chǎn)對(duì)空間鋰離子電池的研制具有很高的參考價(jià)值，從目前的技術(shù)發(fā)展看，2020年前，鋰離子電池的技術(shù)發(fā)展主要包括以下幾個(gè)方面：

(1)鋰離子電池材料體系優(yōu)化升級(jí)，鋰離子電池技術(shù)水平的提高主要依賴于電活性材料、功能電解液、高性能導(dǎo)電劑等核心材料的性能提升，電池比能量的提升主要有賴于高容量正極材料、負(fù)極材料的開發(fā)和應(yīng)用，目前看，5 V高電壓材料、富鋰多元材料、高鎳三元材料是正極材料的主要發(fā)展方向，負(fù)極方面在現(xiàn)有石墨類碳材料基礎(chǔ)上，開發(fā)硅基材料、合金材料是重點(diǎn)方向，電解液材料方面，高電壓體系下寬電化學(xué)窗口的電解液體系是重要方向，功能添加劑是提升電解液性能的關(guān)鍵手段，通過新型電池體系的設(shè)計(jì)，2020年前后，空間全密封鋰離子電池比能量有望達(dá)到250 Wh/kg以上，壽命能力滿足低軌10年、高軌18年應(yīng)用需要，同時(shí)，隨著石墨烯改性活性材料的應(yīng)用，功率型鋰離子電池性能將有顯著提升，可為空間大功率載荷和多工況用電模式提供選擇；

(2)生產(chǎn)工藝新技術(shù)趨勢(shì)，鋰離子電池的性能水平除了決定于電池材料，同時(shí)也受生產(chǎn)工藝制約，工藝技術(shù)和工藝管理是保障電池質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是電池安全性和可靠性的關(guān)鍵保障環(huán)節(jié)，隨著鋰離子電池能量密度不斷提升，充放電倍率不斷增大，電池的制造工藝和安全防護(hù)要求越來越高，電極制造技術(shù)、電極表面功能涂層技術(shù)、隔膜涂層工藝、補(bǔ)鋰工藝技術(shù)等將取得長(zhǎng)足發(fā)展，對(duì)推動(dòng)高性能鋰離子電池起到重要支撐作用；

(3)新一代鋰電池技術(shù)展望，空間儲(chǔ)能電池從鎘鎳電池到氫鎳電池，再到現(xiàn)在的鋰離子電池，蓄電池經(jīng)歷換代后能量密度均有成倍的增長(zhǎng)，壽命能力越來越長(zhǎng)，目前，第四代空間儲(chǔ)能電池的發(fā)展尚處于探索階段，瞄準(zhǔn)目標(biāo)為400 Wh/kg以上，主要探索方向包括全固態(tài)鋰電池和鋰硫電池，相比于傳統(tǒng)鋰離子電池，全固態(tài)聚合物電池具有比能量高、安全性好、壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、耐高電壓等突出優(yōu)點(diǎn)，在超微超薄電池領(lǐng)域也有相當(dāng)大的潛力，但全固態(tài)鋰電池在產(chǎn)品形態(tài)、安全性、使用條件等方面與目前的鋰離子電池有較大差別，固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用、溫度適應(yīng)性等方面還存在很多技術(shù)難點(diǎn)，需要攻關(guān)的技術(shù)還很多，鋰硫電池理論比能量達(dá)到800 Wh/kg，但鋰硫電池存在鋰負(fù)極穩(wěn)定性差、容量循環(huán)衰降快、壽命短等方面的問題，需要關(guān)鍵技術(shù)的突破，這是下階段預(yù)先研究的重點(diǎn)。

3 結(jié)語

近年來，鋰離子電池已成為航天器主流儲(chǔ)能電池，滿足了航天器減重、延壽等技術(shù)需求，推動(dòng)了空間儲(chǔ)能技術(shù)的升級(jí)換代，得到廣泛應(yīng)用。隨著新材料發(fā)展、工藝技術(shù)進(jìn)步，鋰離子電池技術(shù)水平具有較大的發(fā)展?jié)摿?，在能量密度、功率密度等方面可進(jìn)一步提高，可為空間工程提供高效有力的電能保障。

[1]BORTHOMIEU D Y.SAFT group 2015&Li-Ion vs NiH[R].France:SAFT,2015:21-23.

[2]BIENSAN D P.SAFT Li-ion space batteries roadmap[EB/OB].2007-11-27.http://www.docin.com/p-306347697.html.

Current application status and devlopment prospect of Li-ion batteries for space

LUO Guang-qiu,LUO Ping
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The latest progress of Li-ion batteries for spacecrafts all over the world was reviewed. The technical develop requirements of storage battery for future spacecrafts were analyzed. And the technology development routes of Li-ion battery for space was prospected.

Li-ion battery;space;application status;technology prospect

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1501-04

2017-03-10

羅廣求(1977—)，男，湖南省人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g鋰離子蓄電池技術(shù)。