航空鋰電池的原理及容量測試方法研究

丁羿茗

摘要：相較于傳統(tǒng)的蓄電池，航空鋰電池具有高密度能量、高工作電壓、低自放電率、高充放電效率、寬工作溫度范圍、長循環(huán)壽命、以及環(huán)境污染程度小等特點，被廣泛應用于手機、新能源汽車領域以及民航、無人機、空間探測器等航空航天領域中。而航空鋰電池的地面維護方式與傳統(tǒng)的蓄電池維護完全不同。因此，本文就航空鋰電池的工作原理進程闡述分析，研究其在地面的充電和放電過程，以及測試容量的方式，為后續(xù)的航空鋰電池維護人員提供參考意見。

關鍵詞：航空鋰電池;充電;放電;容量測試;安全運行

經(jīng)過多年的技術攻關和產(chǎn)品推廣，鋰離子電池的應用范圍已經(jīng)非常廣泛。航空鋰電池具有高能量、輕質(zhì)量、小體積的優(yōu)勢，但是其安全性較差。所以為了保障鋰電池在航空領域的安全運行，就必須確定鋰電池的健康狀態(tài)和剩余使用壽命，通過對鋰電池的結(jié)構和工作原理進行分析，研究其充放電原理，以及確定其容量，就方便鋰電池健康狀態(tài)的分析和確定剩余使用壽命。

1. 鋰電池概述

十九世紀六十年代就開始了鋰離子電池的研發(fā)進程。早期鋰離子電池的負極材料是單質(zhì)鋰，但是單質(zhì)鋰過于活潑，遇水就會發(fā)生劇烈反應生成LiOH，導致爆炸和燃燒現(xiàn)象發(fā)生，所以鋰電池的電解質(zhì)容易一般是非水電解液。目前常用的鋰電池實際上是鋰離子（Li-ion）電池，正負電極材料是由不同的鋰離子同化合物組成，沒有單質(zhì)鋰存在，較好地解決了鋰電池的安全問題[1]，如南方航空的波音787飛機就采用了鋰電池。鋰電池本身自帶監(jiān)控保護電路，保障電池的運行安全，所以其地面維護方式同傳統(tǒng)的蓄電池維護方式不同。

鋰電池同機載蓄電池相比具有非常優(yōu)越的特點。如鋰電池具有高比能量，其高儲存能力密度高達460～600Wh/kg，比鎳鎘電瓶高2倍，比鉛酸電池高4倍;鋰電池采用密封電池，維護成本和工作量小;鋰電池的單格額定電壓高，為3.6V，有利于組成電池電源組;鋰電池的自放電率不及堿性電瓶的一半;鋰電池的重量輕、體積小，方便攜帶;鋰電池沒有記憶效應，可隨充不用深度放電[2];鋰電池不含有有毒元素如汞鎘鉛等。

目前鋰電池仍具有明顯的缺點，如安全性相對較差。美國波音公司第一個使用鋰電池搭載在民航中，然在2013年由于鋰電池短路和熱失控原因?qū)е聝杉艽钶d鋰電池的客機前后發(fā)生安全事故，使得鋰電池在航空的應用停滯不前。后學對鋰電池技術進行調(diào)養(yǎng)改進，優(yōu)化了鋰電池的使用技術，使其符合航空使用標準。鋰電池在大電流放電時，其性能不如鎘鎳電池;鋰電池需要通過充放電、過溫來保護電路，防止造成正負電極的損壞[3];另外由于鋰電池的結(jié)構復雜、單質(zhì)鋰屬于稀有金屬，導致鋰電池的生產(chǎn)成本較高，不利于大規(guī)模地生產(chǎn)和利用。

2. 鋰電池的基本結(jié)構及其工作原理

2.1 鋰電池的基本結(jié)構

目前所用鋰電池的基本結(jié)構同鎳鎘電池一致，由正負極、能夠傳導鋰離子的電解質(zhì)、隔離正負極的隔膜組成。但是鋰離子電池需要過充放電和過溫措施保護電路，防止正負極的損壞。

鋰電池正極：鋰離子化合物，如鋰鈷氧化物LiCoO2、鋰鎳氧化物LiNiO2、鋰錳氧化物LiMnO2等。鋰電池正極材料對于鋰電池的特性有不同的影響作用，如表1所示。

從表1中可以看出，鋰鈷氧化物在功率密度方面比其他兩者強，但是電壓、溫度穩(wěn)定性方面就鋰錳氧化物有優(yōu)勢。

鋰電池負極：碳素材料，分石墨、非石墨兩類。航空鋰電池常用的負極材料為石墨，因其具有良好的片層結(jié)構，方便鋰離子的填充。碳素材料的低理論容量和安全性讓專家設計研發(fā)更高循環(huán)穩(wěn)定的負極材料，如過渡金屬氧化物TMO的應用、硅負極材料的應用[4]。

鋰電池電解液：常用的是碳酸酯有機溶劑、LiPF6鋰鹽、固體電解液等。而航空鋰電池常用電解液是碳酸鹽。鋰電池電解液需要滿足的條件是：具有比較寬泛的工作電位;穩(wěn)定性要高，充放電過程中不會發(fā)生副反應;較高的導電率。鋰電池電解液中的添加劑需要有利于形成穩(wěn)定的SEI膜，防止鋰電池電解液和電極材料發(fā)生反應，提高鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。經(jīng)過科學家多年的研發(fā)發(fā)現(xiàn)，磺基電解液、離子液體具有更好的應用效果。

鋰電池隔膜：一般采用聚丙烯、聚乙烯單層微孔膜或者是兩者相互復合而成的多層膜。隔膜性能影響著鋰電池的基本結(jié)構，直接決定鋰電池的容量、循環(huán)壽命以及安全性等。鋰電池隔膜具有絕緣性，保障鋰電池正負極的物理隔離，防止短路;鋰電池隔膜均勻的孔徑和孔隙率保障鋰離子的高通過率;鋰電池隔膜局域優(yōu)秀的理化性能，確保潤濕性和潤濕速度有利于提高電池充放電性能、容量密度。

鋰電池的保護電路措施：鋰電池需要通過充放電來保護電路，過度放電將放出負極的碳元素，導致層狀結(jié)構崩潰;而過度充電會將帶入過度的鋰離子到石墨結(jié)構中[5]，阻塞部分鋰離子的釋放。

2.2 鋰電池的工作原理

鋰電池在充電過程中，電極兩側(cè)的電勢使得正極的化合物釋放出鋰離子，流向負極嵌入其中呈現(xiàn)片層排列。放電過程則是從負極的片層結(jié)構中析出鋰離子，流向正極重新結(jié)合成化合物。鋰電池的充放電過程就是鋰離子在正負極之間往復嵌入和脫嵌的過程，產(chǎn)生電流，實現(xiàn)化學能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換[6]。

以正極材料為鋰鈷氧化物LiCoO2為例，展示鋰電池的放電化學方程式為：

2.3 航空鋰電池的組成

航空鋰電池的額定電壓在28.8V，電池容量為65Ah，它是由單體鋰電池8個、內(nèi)置接觸器1個、電池監(jiān)控組件4組構成[7]。電池監(jiān)控組件BMU隨時監(jiān)控著鋰電池的電壓值、充放電的電流值、電池溫度等狀態(tài)，當BMU檢測到鋰電池出現(xiàn)故障時就會立即發(fā)出故障信號，方便維護人員進行維修，保障航空鋰電池的安全運行。

3.航空鋰電池的充放電方式和容量測試方式

本文以南方航空波音787安裝的鋰電池為例，來闡述航空鋰電池充放電和容量檢測方法。鋰電池的充放電操作必須使用專門的設備（如圖1），電池本身的監(jiān)控組件也必須同充放電設備連接，保障鋰電池充放電過程中的安全。

3.1 鋰電池充放電方法

鋰電池的充電方法：采用恒流恒壓的充電方法，如用50A的恒流、32.2VDC的恒壓進行充電;也可以采用恒壓限流充電方法，如32.2VDC的恒壓，50A限流進行充電[8]。一直維持到充電的電流到5A時停止。

鋰電池的放電方法：利用恒電阻放電方式，電流保持50A，放電至電池電壓為22V停止。而航空鋰電池的額定電壓為28.8V，可根據(jù)放電電阻計算公式得出放電的電阻為0.576Ω。

放電電阻計算公式：，

其中R是放電電阻，單位Ω;t是放電時間，單位s;C是每相電容量，單位F;Un是額定電壓，單位V;UR是剩余的電壓，單位V;K是電阻和電容器單元的來接方式?jīng)Q定的系數(shù)，有1、3、。

3.2 鋰電池容量測試方法

電池容量是鋰電池性能指數(shù)的重要指標之一，其定義是在額定的電流環(huán)境下，電池放電至制定電壓時所放出的電流乘以放電時間。鋰電池容量表示的是電池內(nèi)部的電荷量多少，表示電池能夠向外界提供能量的多少。目前鋰電池的電池容量常用定義有：

理論容量是指鋰電池內(nèi)部全部活性物質(zhì)參與反應所能夠得到的總?cè)萘恐?，是電池的最大限制容量。標稱容量是指電池滿電狀態(tài)下，在室溫條件中以0.2C放電至指定電壓時所能夠放出的最大容量值。實際容量是指在指定的放電倍率放出的最大容量，也就是放電電流乘以放電時間。剩余容量是指鋰電池使用一段時間后，在室溫條件中以0.2C放電至指定電壓時所能夠放出的最大容量值。

鋰電池的容量測試方式，需要先將電池充滿電，在進行放電操作來計算容量。航空鋰電池的放電電阻是恒定的，電流是不穩(wěn)定的，那么在計算電池容量的時候就可以采用安時積分或者秒脈沖對進行累計[9]。

鋰電池容量的計算方式如下：滿電的電池開始放電的電流值為A，當放電至電壓為22V時停止，其電流為A。放電時間為T，則電池容量的計算公式為：，容量的單位為Ah。根據(jù)之前所得的放電電阻R=0.576Ω，則C=56T（Ah）。

對于鋰電池進行容量測試的時間間隔是有要求的。當鋰電池的電池容量在70～80Ah時，需要兩年做一次容量檢測;當電池容量在60～69Ah時，需要一年半做一次容量檢測;當電池容量在57～59Ah時，需要一年做一次容量檢測;當電池容量在54～55Ah時，需要半年做一次容量檢測;當電池容量在50Ah以下時，電池做報廢處理[10]。航空鋰電池的儲存是必須是帶電狀態(tài)下進行，保持電壓在29.6V～30V范圍之間。低于該電壓范圍進行充電操作，高于電壓值范圍就利用恒電阻放電至合適范圍。

3.3航空鋰電池的壽命

鋰電池的化學反應是可逆的，也就是鋰電池可以循環(huán)使用的原因。鋰電池通過電化學反應既可以積累電能，也可以釋放電能，但是鋰電池在使用過程中，其內(nèi)部的化學成分并不是一直保持不變的。鋰電池的電阻隨著使用次數(shù)而增加，導致實際容量降低。當鋰電池的實際容量達到最低標準時，認定鋰電池的壽命終止。影響鋰電池的壽命因素常見的有：電池的設計、制作技術、工作溫度、負荷強度等，在航空鋰電池地面維護工作就可以從電池的充電制度、SOC使用區(qū)域和電池的一致性方面進行改進，延長鋰電池的循環(huán)壽命周期。深度放電會降低電池循環(huán)壽命周期，減少放電時間、避免完全放電和頻繁充電有助于延長電池使用壽命。不能在極限條件下使用航空鋰電池，保持鋰電池表面的清潔、干燥、完整，避免快速充放電操作。

4. 結(jié)束語

綜上所述，鋰電池具有的較高比能量、優(yōu)秀的循環(huán)壽命、較低的自放電率、無記憶效應和綠色環(huán)保性能，使其在航空領域具有很好的應用前景。鋰電池的應有不僅僅在航空領域有很強的應用推廣，還應用在無人機、航天領域上得到應用。如在伊拉克戰(zhàn)爭亮相的“龍眼”無人機就是很好的應用，我國的嫦娥五號成功發(fā)射并攜帶月球樣品返回地球就是歸功于鋰離子電池的高比能量、長循環(huán)壽命周期、寬泛的工作溫度范圍。而對于未來方便鋰電池滿足不同領域的應用，還需要提升鋰電池的能力密度、便捷性、安全性和環(huán)保性，特別是航空航天領域?qū)τ阡囯姵氐陌踩阅芎湍褪苄蕴岢龈叩囊?。未來關于鋰電池的研發(fā)將越來越多，更多的電極材料、電池結(jié)構、電解液被研發(fā)，助力鋰電池行業(yè)健康發(fā)展。

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