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)

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。

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[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。