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      50 Ah衛(wèi)星用鋰離子蓄電池的研制及性能分析

      2016-07-24 16:41:16崔振海羅萍梁霍秀
      電源技術 2016年8期
      關鍵詞:鋰離子蓄電池衛(wèi)星

      崔振海,羅萍,梁霍秀

      (中國電子科技集團公司第十八研究所,天津300384)

      50 Ah衛(wèi)星用鋰離子蓄電池的研制及性能分析

      崔振海,羅萍,梁霍秀

      (中國電子科技集團公司第十八研究所,天津300384)

      為了滿足衛(wèi)星對高比能儲能電源的需求,研制了鎳鈷酸鋰(NCA)正極材料50 Ah衛(wèi)星用鋰離子蓄電池,電池比能量160.5~162.9 Wh/kg,針對衛(wèi)星使用環(huán)境,對50 Ah鋰離子蓄電池的高低溫性能、正弦振動、隨機振動、沖擊、熱真空等空間環(huán)境適應性進行了測試,進行了過充電、過放電安全性測試,并對LEO、GEO衛(wèi)星軌道蓄電池循環(huán)壽命進行了考核,證明50 Ah鋰離子蓄電池可滿足衛(wèi)星應用的需求。

      高比能量;鋰離子蓄電池;衛(wèi)星

      鋰離子蓄電池是20世紀90年代初發(fā)展起來的新型電池,具有比能量高、充放電效率高、壽命長等特點,與傳統(tǒng)衛(wèi)星用氫鎳電池相比,在同樣質量情況下能量輸出提高了一倍,滿足了有效載荷增加提出的能量要求。國際上,衛(wèi)星用鋰離子技術應用最成熟的是法國SAFT公司,其VES180鋰離子蓄電池比能量156 Wh/kg。此外,日本、美國等也先后成功發(fā)射了采用鋰離子蓄電池作為儲能電池的衛(wèi)星和飛行器。鋰離子蓄電池正成為繼鎘鎳電池、氫鎳電池之后的第三代空間儲能電源。

      國內衛(wèi)星用鋰離子蓄電池從20世紀90年代開始研發(fā),第一代鈷酸鋰鋰離子蓄電池的比能量為120~140 Wh/kg,目前已經(jīng)應用于希望一號、清華靈巧衛(wèi)星等十幾顆衛(wèi)星型號。隨著衛(wèi)星載荷的不斷增加,迫切需求比能量更高的化學儲能產(chǎn)品。本文針對鋰離子蓄電池的高比能量需求,采用高比容量NCA正極材料,研制第二代高比能量衛(wèi)星用鋰離子蓄電池,比能量達到160.5~162.9 Wh/kg。

      1 電池設計研制

      1.1 電池結構設計

      鋰離子單體電池的結構形式包括圓柱形、長圓形、方形三種形式,三種不同結構形式及性能分析如下,受力示意圖如圖1所示。圓柱形電池采用卷繞式電芯極組,殼體可各向均勻地限制電極膨脹收縮,電極長期循環(huán)結構穩(wěn)定,利于長壽命循環(huán),缺點是占用體積大;方形電池采用疊片式電芯極組,優(yōu)點是占用體積小,但矩形殼體長期循環(huán)存在鼓脹現(xiàn)象,不能較好地限制電極充放電的鼓脹收縮效應,電極易剝離掉粉,不利于長壽命循環(huán)。長圓形電池結構由方形電池結構改進而來,雖然電芯極組結構采用卷繞式電芯,但其沒有根本解決長期循環(huán)過程中電池鼓脹的問題,因而也不利于長壽命循環(huán)。因此,電池結構形式選擇利于長壽命循環(huán)的圓柱形結構形式。

      圖1 三種電池結構形式及受力示意圖

      1.2 電池材料體系設計

      電池正極材料采用NCA活性物質、復合導電劑、黏結劑的正極配方,負極采用碳活性物質、復合導電劑、粘結劑的負極配方。電解液采用六氟磷酸鋰的碳酸酯類多元有機溶劑電解液。針對正負極配方、電極制備及成型工藝、電解液進行了優(yōu)化設計。

      1.3 電池全密封設計

      電池的密封設計包括電池殼蓋焊接密封設計、極柱的絕緣密封設計。電池殼蓋焊接密封設計采用熔融焊焊接密封工藝設計,極柱的絕緣密封采用有機聚合物壓縮密封設計。圖1為三種電池結構形式及受力示意圖。

      2 結果與討論

      2.1 比能量性能

      充電:蓄電池在(20±5)℃的環(huán)境條件下,以0.2C恒流充電至電池電壓達到4.10 V時,轉恒壓4.10 V充電,當充電電流下降到0.01C結束。

      蓄電池充電后擱置0.5 h,以0.2C電流進行放電,當放電電壓降至2.75 V時停止放電,放電容量滿足不小于50 Ah的要求,電池比能量160.5~162.9 Wh/kg。圖2為鋰離子蓄電池容量測試結果。

      圖2 鋰離子蓄電池容量測試結果

      2.2 荷電保持性能

      按2.1容量測試方法,先測試一次容量記為C0,充滿電,在(20±5)℃環(huán)境溫度下擱置28 d,測試容量記為Cl,按式(1)計算蓄電池荷電保持率,測試結果:3#:98.13%;8#:97.28%;30#:97.33%,滿足不小于97%的要求。

      2.3 高低溫性能

      在室溫條件下,電池以0.2C電流充電至4.1 V,恒壓至電流0.01C,靜置0.5 h,分別在(-30±2)℃、(-20±2)℃、(-10±2)℃、(0±2)℃、(10±2)℃、(25±2)℃、(30±2)℃、(45±2)℃環(huán)境中恒溫8 h后,以0.5C電流放電至2.75 V停止。

      電池不同溫度放電曲線見圖3和圖4,電池在常溫充電后進行不同溫度的放電,在0~45℃其放電容量均在常溫容量的90%以上,在0℃以下均在常溫容量的90%以下。電池不同溫度下放電電壓平臺見表1,不同溫度電壓平臺區(qū)別顯著,環(huán)境溫度越低其放電電壓平臺越低,特別是10℃以下低溫電壓平臺明顯降低,其30和45℃下放電電壓平臺較常溫無明顯波動。

      圖3 電池9#不同溫度下放電的曲線

      圖4 電池18#不同溫度下放電的曲線

      ??????????????????????????????????? ?30 ? ?20 ? ?10 ?0 ? 10 ?25 ? 30 ? 45 ?9# 3.368 3.481 3.509 3.561 3.582 3.600 3.590 3.599 18# 3.380 3.459 3.488 3.543 3.567 3.587 3.578 3.584

      2.4 空間環(huán)境適應性分析

      2.4.1 正弦振動適應性

      蓄電池充滿電后,將電池用夾具牢固地固定在振動臺上。按表2技術條件實驗,X、Z每個軸向各1次。實驗中以0.2C電流放電,蓄電池放電電流、放電電壓無突變,無機械損傷。

      ??????????????????/Hz ??X??Z????/(oct?min)10?15 5.5 mm 11 mm 15?70 49 m/s 98 m/s 70?100 49 m/s 49 m/s 2

      2.4.2 隨機振動適應性

      蓄電池充電后,將電池用夾具牢固地固定在振動臺上。按圖5實驗條件進行實驗,加速度譜密度2(m/s2)2/Hz,總均方根加速度值53.5 m/s2,實驗時間為X、Z每個軸向各3 min。實驗過程中蓄電池以0.2C電流放電,蓄電池放電電流、放電電壓無突變,無機械損傷。

      圖5 隨機振動實驗條件譜形

      2.4.3 沖擊適應性

      蓄電池充滿電后,將電池用夾具牢固地固定在沖擊臺上。按表3實驗條件進行實驗,±X、Z軸向各三次,蓄電池極柱向下方向不做,沖擊脈沖的速度變化量值容差為脈沖速度變化量值的±15%。實驗中以0.2C電流放電,蓄電池放電電流、放電電壓無突變,無機械損傷。

      2.4.4 真空熱循環(huán)適應性

      蓄電池按照表4條件進行熱真空循環(huán)測試,實驗過程中監(jiān)測蓄電池溫度、電壓,在第1個循環(huán)低溫和第4個循環(huán)高溫進行充放電測試,其他恒溫段只進行電壓監(jiān)測。50 Ah鋰離子蓄電池在真空高低溫環(huán)境中工作正常,可滿足真空環(huán)境要求。

      ???????????????? ????/Pa ?1.3?10??????/? 45????????/? 3????????/h 4????????/? ?10??

      2.5 過充電、過放電安全性

      過充電安全性:在(20±5)℃環(huán)境中,蓄電池充電后,以0.2C電流繼續(xù)對電池過充電,當蓄電池的端電壓達到4.5 V時終止充電。蓄電池不起火、不爆裂。

      過放電安全性:在(20±5)℃環(huán)境中,放電態(tài)蓄電池以0.2C電流繼續(xù)放電至0 V時終止。蓄電池不起火、不爆裂。

      2.6 循環(huán)壽命性能

      2.6.1 LEO軌道30%DOD循環(huán)壽命性能

      在(20±5)℃環(huán)境中,以0.5C電流恒流充電至4.10 V,轉恒壓4.10 V充電,充電時間達到60 min后轉0.5C電流放電36 min,重復上述充放電循環(huán)。滿足LEO軌道5年壽命應不低于30 000次循環(huán)。目前,3個樣本電池進行了約9 000次循環(huán)考核,循環(huán)測試仍在進行中,見圖6。

      圖6 LEO軌道(30%DOD)循環(huán)壽命循環(huán)實驗

      2.6.2 GEO軌道(80%DODMAX)循環(huán)壽命性能

      在(20±5)℃環(huán)境中,蓄電池按下列制度進行地球同步軌道循環(huán)壽命實驗:電池以0.2C恒流充電至4.10 V,轉恒壓4.10 V充電,當充電電流下降到0.01C充電結束。充電結束擱置0.5 h后,以0.67C電流按表5所示周次放電時間進行放電,依次充放電循環(huán)。滿足GEO軌道15年壽命應不低于1 350次循環(huán)。目前,3個樣本電池進行了1 952次循環(huán)考核,循環(huán)測試仍正在進行中,見圖7。

      ?????????????????????? 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23??????? 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23????/min 5 20 34 41 46 50 54 56 58 60 62 64 68 69 70 71 72 72 72 72 72 72 72

      圖7 GEO軌道循環(huán)壽命循環(huán)實驗

      3 結論

      通過改進正負極配方設計、改進電極制備工藝、優(yōu)化電解液,進行鋰離子蓄電池耐力學結構設計,優(yōu)化電池裝配工藝等措施,研制50 Ah鋰離子蓄電池比能量達到160.5~162.9 Wh/kg,并通過了正弦振動、隨機振動、沖擊、真空熱循環(huán)等空間環(huán)境適應性考核,通過了過充電、過放電安全性考核,循環(huán)壽命性能良好,可滿足衛(wèi)星型號使用需求。

      [1]張慶堂,翟美臻.鋰離子電池導電劑研究進展[J].化學通報,2006,69:81.

      [2]PAQUIN N,POIRIER F,R魪MY S,et al.New cylindrical li-ion cell design for micro and mini LEO satellites using nickel based oxide for extended life time misions[C]//8th European Space Power Conference.Germany:European Space Agency,2008.

      [3]劉浩杰,徐壽巖,譚玲生,等.GJB6789-2009,空間用鋰離子蓄電池通用規(guī)范[S].北京:中國人民解放軍總裝備部,2009.

      Research of 50 Ah lithium-ion battery for satellite and its performance analysis

      CUI Zhen-hai,LUO Ping,LIANG Huo-xiu
      (Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

      In order to meet requirement of satellite for high energy lithium-ion battery,50 Ah lithium-ion battery was designed.The specific energy of battery is no less than 160 Wh/kg.High/low temperature performance,heating effect,sinusoidal vibration,random vibration,shock,thermal vacuum cycle,over-charging and over-discharging of the battery were tested,and the LEO and GEO orbit cycle life of the battery were also tested.

      high specific energy;lithium-ion battery;satellite

      TM 912

      A

      1002-087 X(2016)08-1575-03

      2016-04-06

      崔振海(1980—),男,吉林省人,工程師,主要研究方向為衛(wèi)星用鋰離子蓄電池。

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