無(wú)人機(jī)用鋰離子蓄電池組性能測(cè)試與分析

謝朝香，任杰偉，楊凱倫，王 可

（上?？臻g電源研究所，上海 200245）

0 引言

目前中大型無(wú)人機(jī)廣泛采用動(dòng)力裝置有往復(fù)式和旋轉(zhuǎn)式活塞發(fā)動(dòng)機(jī)，以及渦噴、渦扇、渦槳和渦軸燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)［1］。小型和微型無(wú)人機(jī)主要用于戰(zhàn)場(chǎng)偵察和特種作戰(zhàn)，常使用蓄電池驅(qū)動(dòng)［2］。在對(duì)重量限制要求較高的無(wú)人機(jī)上，鋰離子蓄電池作為目前商用蓄電池中比能量最高的儲(chǔ)能電源，有望逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位。無(wú)人機(jī)在數(shù)千米的高度飛行，蓄電池工作環(huán)境溫度較低，要求蓄電池須有良好的低溫性能，同時(shí)為減輕整機(jī)重量以增加續(xù)航時(shí)間，需要蓄電池有較高的比能量。另外，無(wú)人機(jī)在起飛、爬升和抗強(qiáng)風(fēng)飛行等時(shí)又需要蓄電池有一定的大功率輸出能力，還要求同時(shí)蓄電池有高安全性。影響上述重要性能指標(biāo)的因素有蓄電池的正負(fù)極材料體系、電解液體系、電池設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制等。目前，商用鋰離子蓄電池正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳基三元材料、磷酸鐵鋰等，其中鈷酸鋰材料的優(yōu)點(diǎn)是有較高的克容量、高振實(shí)密度、良好的低溫特性和倍率放電能力，以及高循環(huán)穩(wěn)定性等，缺點(diǎn)是材料的熱穩(wěn)定性相對(duì)較差［3－4］。鈷酸鋰體系的鋰離子蓄電池是小型和微型無(wú)人機(jī)較可行的儲(chǔ)能電源方案。

某無(wú)人機(jī)的飛行環(huán)境溫度較寬。對(duì)蓄電池組性能的要求有電池組的標(biāo)稱電壓18.5V，容量大于15A·h（1C倍率）；電池組質(zhì)量不大于1.5kg；在溫度－30℃條件下電池組的滿足2C放電3min后1C持續(xù)放電時(shí)間大于48min；單體電池滿足溫度45℃下正常放電，電池組滿足60℃高溫下正常放電；單體電池在過(guò)充和短路的安全試驗(yàn)中不起火或冒煙。對(duì)此，研制了一種有較高的質(zhì)量比能量、良好的耐低溫和高溫性能，較高的循環(huán)穩(wěn)定性和安全性等性能的鋁塑軟包裝鋰離子蓄電池單體及蓄電池組，本文對(duì)單體電池和蓄電池組的性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電池材料性能

1.1.1 電極制備

正極極片采用PVDF／NMP粘結(jié)劑體系制備：LiCoO2、導(dǎo)電劑SP、KS6和PVDF（質(zhì)量分?jǐn)?shù)11%）按質(zhì)量比85∶3∶5∶7進(jìn)行混合，加入適量NMP（根據(jù)料膏的黏稠程度調(diào)節(jié)NMP加入量）進(jìn)行機(jī)械攪拌；攪拌均勻后將料膏均勻涂布在擦拭干凈的銅箔上，轉(zhuǎn)入真空干燥箱中，在溫度100℃下干燥約12h，以除去溶劑NMP；在輥壓機(jī)上壓實(shí)極片，將銅箔沖制成直徑14mm的電極片，再次轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中，在溫度60℃下烘10h，冷切后迅速放入充滿氬氣的手套箱中備用。

負(fù)極極片采用SBR＋CMC／H2O粘結(jié)劑體系制備：將石墨、導(dǎo)電材料乙炔黑（AB）、CMC和SBR按質(zhì)量比8∶1∶0.6∶0.4進(jìn)行混合，加入一定量的去離子水調(diào)節(jié)黏稠度，攪拌均勻后，涂布到銅箔上；后續(xù)步驟與PVDF／NMP體系極片制備相同。

1.1.2 扣式電池裝配

扣式電池裝配采用CR2025型的扣式電池殼，用直徑16mm的金屬鋰片作為對(duì)電極，采用含1mol／L LiPF6的EC＋DEC＋EMC混合體系（體積比1∶1∶1）作為電解液，厚度16μm、直徑16mm的聚丙烯薄膜作為隔膜，電池的組裝過(guò)程均在充滿氬氣的手套箱中進(jìn)行。

1.2 單體電池和電池組制備

根據(jù)無(wú)人機(jī)的功率和能量要求，設(shè)計(jì)的單體電池額定容量7.5A·h，額定電壓3.7V，采用10只鋰離子蓄電池單體以2并5串方式組合。

以LiCoO2為正極，石墨為負(fù)極，按負(fù)極極片容量比對(duì)應(yīng)的正極極片容量過(guò)量10%的原則，分別制備設(shè)計(jì)的正負(fù)極極片，極片通過(guò)滾壓、沖切和烘干等過(guò)程。聚丙烯薄膜作為隔膜，采用散熱性能好、正負(fù)電極極化小、蓄電池組合空間利用率高的疊層式電堆結(jié)構(gòu)，將電池正極片、隔膜和負(fù)極片一次疊成（以提高蓄電池在大電流輸出時(shí)的電壓特性）。同時(shí)，最外層用隔膜包裹制備得到電芯。電池在常壓環(huán)境中使用，為提高電池的質(zhì)量比能量，單體電池采用鋁塑軟包裝封裝方式。鋰離子蓄電池是電位約4V的高電化學(xué)體系，不銹鋼或鎳極耳在高電位的電化學(xué)體系中會(huì)出現(xiàn)電化學(xué)腐蝕和自放電等現(xiàn)象，故正極耳用鋁材料，負(fù)極耳用鎳材料。為便于單體間的串并聯(lián)，正負(fù)極耳外部包覆銅片。電芯制備完成后，在溫度60℃的真空烘箱干燥48h，將一定量的1mol／L LiPF6的EC＋DEC＋EMC混合體系（體積比1∶1∶1）電解液注入電池內(nèi)，用封口機(jī)將注液口封好。

單體電池制備完成后，通過(guò)電池的化成和分容，篩選出一致性較好的電池10個(gè)，采用2并5串方式組合，電池間的串并聯(lián)由跨接片連接實(shí)現(xiàn)。蓄電池組的充電采用專(zhuān)用的地面充電器以單體分充方式進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 電極材料性能

2.1.1 LiCoO2性能表征

材料的電性能主要是通過(guò)裝配成扣式電池，在LAND電池測(cè)試系統(tǒng)中進(jìn)行充放電測(cè)試得到。本文的正極材料為商業(yè)化鈷酸鋰，測(cè)試所得充放電和循環(huán)容量曲線如圖1所示。由圖可知：LiCoO2首次放電容量143mA·h／g，首次效率98.1%，10次循環(huán)后容量保持為約140mA·h／g。

圖1 LiCoO2充放電和循環(huán)容量曲線Fig.1 Charge／discharge curve and cycle performance of LiCO2

2.1.2 石墨性能

用掃描電子顯微鏡（SEM）可觀察材料的顆粒大小及形狀分布等。本文的石墨為經(jīng)改性的天然石墨，掃描電鏡分析結(jié)果圖2所示。由圖可知：石墨形貌為鱗片狀結(jié)構(gòu)。石墨的充放電和循環(huán)性能曲線如圖3所示。由圖可知：該石墨的充放電平臺(tái)為約0.2V，65次循環(huán)容量保持在340mA·h／g，首次效率80%（活性物質(zhì)含量80%）。

圖2 石墨掃描電鏡分析結(jié)果Fig.2 SEM of graphite

圖3 石墨充放電和循環(huán)容量曲線Fig.3 Charge／discharge curve and cycle performance of graphite

2.2 單體性能

按國(guó)軍標(biāo)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在LAND電池測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)鋰離子蓄電池單體的電池常溫、高低溫、循環(huán)和安全性能等進(jìn)行了測(cè)試。

2.2.1 充放電性能

以0.2C（1.5A）的電流對(duì)電池進(jìn)行充放電，測(cè)試結(jié)果如圖4所示（充放電電壓3.0～4.2V）。由圖可知：蓄電池放電電壓平臺(tái)約3.7V，實(shí)際放電容量7.7A·h，算得蓄電池的質(zhì)量比能量為210W·h／kg（單體電池質(zhì)量約136g）。

圖4 單體電池0.2C充放電曲線Fig.4 Charge／discharge curves of cell at 0.2C

2.2.2 倍率性能

以0.2C，1.0C，2.0C倍率的電流對(duì)電池進(jìn)行放電，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。由圖可知：電池在0.2C，1.0C，2.0C倍率下的放電容量分別為7.70，7.55，7.50A·h，2C放電容量約0.2C容量的97.4%，說(shuō)明蓄電池具有較好的倍率性能。為獲得高比能量，蓄電池設(shè)計(jì)中選擇了較高的極片面密度，導(dǎo)致電極片的極化相對(duì)較大，2C放電電壓平臺(tái)較0.2C電壓平臺(tái)低約0.2V。

圖5 單體電池倍率放電曲線Fig.5 Discharge curve of cell at variousCrate

2.2.3 高溫性能

在常溫下將蓄電池充滿電，轉(zhuǎn)移入溫度45℃恒溫箱中擱置12h后進(jìn)行1C放電，單體電池在常溫（25℃）和45℃下1C放電曲線如圖6所示。由圖可知：常溫和45℃下蓄電池放電容量幾乎相同，僅放電電壓平臺(tái)稍增，滿足無(wú)人機(jī)對(duì)單體電池溫度45℃下正常工作的要求。

2.2.4 低溫性能

圖6 不同溫度下單體電池放電性能曲線Fig.6 Discharge curve of cell at various temperature

將滿電態(tài)的單體電池置于溫度－20℃的恒溫箱中12h，再進(jìn)行1C放電，放電截止電壓2.0V，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。由圖可知：因在－20℃低溫環(huán)境中存在嚴(yán)重的極化，初始瞬間放電電壓低至3.25V，1C恒 流 放 電 到2.0V 時(shí) 電 池 容 量 約7.3A·h，為常溫放電容量的95%。單體電池的低溫測(cè)試結(jié)果表明該體系的低溫性能較好。

圖7 溫度－20℃下單體電池性能曲線Fig.7 Discharge curve of cell at－20℃

2.2.5 循環(huán)壽命

圖8 單體電池循環(huán)性能曲線Fig.8 Cycle performance of cell

為考察電池的循環(huán)穩(wěn)定性，0.5C充電、1C放電循環(huán)200次，循環(huán)性能曲線如圖8所示。由圖可知：電池經(jīng)充放電循環(huán)200次后的放電容量6.54A·h，容量保持率約85%。電池200周循環(huán)性能雖已滿足無(wú)人機(jī)使用要求，但較普通鈷酸鋰體系電池的循環(huán)性能還有差距。為實(shí)現(xiàn)電池減重，電池制作中電解液的注液量較普通注液量偏少，這可能是電池循環(huán)性能不穩(wěn)定的原因。

2.2.6 安全性能

對(duì)蓄電池在使用過(guò)程中最可能出現(xiàn)的兩種安全性問(wèn)題（過(guò)充電和短路）進(jìn)行了測(cè)試。

a）過(guò)充電

采恒流源以1C電流對(duì)單體電池進(jìn)行恒流充電，設(shè)置充電截止電壓6.0V，用熱敏電阻測(cè)試電池表面溫度，電池過(guò)充電過(guò)程的電壓和溫度變化如圖9所示。由圖可知：在電壓到達(dá)5.0V前，電池溫升只有10℃，隨后溫度迅速上升，電壓達(dá)到5.5V后，電壓出現(xiàn)了下降，此時(shí)手動(dòng)停止充電，溫度約60℃，之后溫度繼續(xù)上升，最高達(dá)到85℃后下降，同時(shí)電壓不斷下降直至0V。電池充電到5.5V后電壓下降是因?yàn)殡姵貎?nèi)發(fā)生短路。電池在過(guò)充的過(guò)程中，金屬鋰不斷在負(fù)極表面沉積，易形成枝晶刺破隔膜，使正負(fù)極直接接觸，造成電池內(nèi)短路。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，電池出現(xiàn)了鼓脹，但未起火或爆炸等，滿足無(wú)人機(jī)對(duì)單體電池過(guò)充試驗(yàn)的要求。

b）外短路

在滿電態(tài)單體電池的正負(fù)極耳間連接一空氣開(kāi)關(guān)，外電路阻值約20mΩ，短路過(guò)程中測(cè)試單體電池的電壓和表面溫度，結(jié)果如圖10所示。電池在短路的瞬間，電壓急劇下降，同時(shí)溫度迅速上升，當(dāng)電池電壓到達(dá)0V時(shí)，電池溫度達(dá)到最高值90℃，同樣出現(xiàn)了鼓脹，但未起火或冒煙等，滿足無(wú)人機(jī)對(duì)單體電池外短路試驗(yàn)的要求。

綜合上述單體電池性能測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單體電池有較好的綜合性能，高低溫和安全性能均滿足無(wú)人機(jī)對(duì)單體電池的要求。

2.3 鋰離子蓄電池組性能

根據(jù)無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的要求，常溫下鋰離子蓄電池組在1C放電倍率下容量需大于15A·h以上，同時(shí)在一定的溫度范圍內(nèi)，滿足2C放電3min后再1C放電時(shí)間需大于48min。

2.3.1 常溫性能

常溫下，以電流15A對(duì)蓄電池組進(jìn)行恒流充放電，監(jiān)測(cè)每個(gè)單體電池電壓，電池的充放電截止電壓15～21V，標(biāo)稱電壓18.5V，所得充放電曲線如圖11所示。由圖可知：電池組的1C放電容量15.2A·h，電池組質(zhì)量1.49kg，滿足無(wú)人機(jī)對(duì)蓄電池組的要求，可算得電池組的比能量188W·h／kg。

圖11 鋰離子蓄電池組充放電曲線Fig.11 Charge／discharge curve of battery pack

2.3.2 低溫性能

在低溫箱中測(cè)試蓄電池組的低溫性能。為避免低溫箱中強(qiáng)風(fēng)冷對(duì)流對(duì)蓄電池組的散熱產(chǎn)生影響，將蓄電池組先放入密封的紙箱再置于低溫箱內(nèi)，以最大限度地模擬實(shí)際工作溫度環(huán)境。設(shè)測(cè)試溫度為－20℃，－30℃，－40℃，根據(jù)無(wú)人機(jī)對(duì)電源的使用要求，將滿電態(tài)的鋰離子蓄電池組放置在低溫箱內(nèi)擱置24h，之后連接至電子負(fù)載進(jìn)行放電（放電制度為2C倍率（30A））3min，隨后停止放電，數(shù)秒內(nèi)手動(dòng)操作轉(zhuǎn)至1C倍率（15A）放電，直至1C放電過(guò)程有單體電池的電壓低于3V。

蓄電池組在溫度－20℃下放電的測(cè)試結(jié)果如圖12所示。由圖可知：在溫度－20℃下，在2C放電開(kāi)始瞬間，因溫度較低，蓄電池組電壓迅速降至約14V，單體電池電壓降低到2.8V；隨后由于放電產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致蓄電池組溫度上升，致使蓄電池組的電壓隨放電反不斷上升，2C放電3min后停止放電，此時(shí)蓄電池組開(kāi)路電壓迅速上升至約19.5V；進(jìn)行1C倍率放電，直至有單體電池的電壓小于3V為止，1C持續(xù)放電53min，放電停止時(shí)，電池組的溫度上升至約30℃；放電停止后，電池電壓出現(xiàn)反彈，5 min后電池組電壓反彈到17.5V。

圖12 溫度－20℃下蓄電池組放電曲線Fig.12 Discharge curve of battery pack at－20℃

蓄電池組在溫度－30℃下放電的測(cè)試結(jié)果表明：放電曲線與溫度－20℃放電曲線相似，僅蓄電池組的最低電壓降至11.7V，放電時(shí)間同樣滿足無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的要求。

蓄電池組在溫度－40℃下的放電試驗(yàn)結(jié)果表明：初始2C放電時(shí)單體電壓迅速下降到2.0V以下，無(wú)法正常放電。將蓄電池組先以1C電流放電3min，使蓄電池組溫度上升，就能滿足2C放電的要求。即在極寒環(huán)境中可對(duì)蓄電池組短時(shí)放電進(jìn)行預(yù)熱，然后才能正常使用。

2.3.3 高溫性能

將滿電態(tài)的鋰離子蓄電池組置于溫度60℃的高溫箱內(nèi)擱置6h后進(jìn)行放電（放電制度2C倍率（30A）放電3min，再以1C倍率（15A）放電），直至有單體電池電壓降至3.0V時(shí)停止放電，放電曲線如圖13所示。由圖可知：在整個(gè)放電過(guò)程中，蓄電池組溫度不斷上升，當(dāng)放電時(shí)間達(dá)到2C／3min、1C／42min后，蓄電池組的溫度上升至80℃。

圖13 溫度60℃下蓄電池組放電曲線Fig.13 Discharge curve of battery pack at 60℃

考慮到電池組溫度過(guò)高，直接停止放電，此時(shí)蓄電池組電壓約18V，單體電池電壓3.6V。測(cè)試結(jié)果表明：蓄電池組在60℃下可長(zhǎng)時(shí)間工作，但因電池組合的方式導(dǎo)致不易散熱，放電過(guò)程中溫升較大。需說(shuō)明的是，鋰離子蓄電池組通常有合適的工作溫度范圍，長(zhǎng)期在高溫下工作將影響蓄電池組的可靠性和循環(huán)特性。

綜合上述電池組的測(cè)試結(jié)果：電池組的標(biāo)稱電壓18.5V，容量15.2A·h，質(zhì)量1.49kg；電池組在溫度－30℃條件下能以2C放電3min后，持續(xù)放電52min；在溫度60℃下可正常充放電，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足無(wú)人機(jī)的使用要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一種研制的無(wú)人機(jī)用鋰離子蓄電池的性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。以LiCoO2為正極，石墨為負(fù)極，采用疊層式電堆結(jié)構(gòu)制備的7.5A·h軟包裝鋰離子蓄電池具有較好的電化學(xué)性能和安全性能，比能量達(dá)到210W·h／kg。在此單體電池基礎(chǔ)上以2并5串的組合方式得到蓄電池組，試驗(yàn)表明電池組的重量、標(biāo)稱電壓、容量、高低溫性能和安全性能等均滿足無(wú)人機(jī)對(duì)蓄電池組的要求。該體系電池在無(wú)人機(jī)有較好的應(yīng)用前景。

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