ZOU L ian rong1, HAN W en w ei1, CHEN M eng1, X IE Jing ying2
( 1. Co llege ofM ater ia l Sc ience and Chem ica lEng inee ring, H arb in Eng ineering U niversity, H arbin 150001, Ch ina; 2. Shangha i Insti tu te ofM icro system and In fo rm ation T echno logy, Chinese A cadem y of Sciences, Shangha i 200050, Ch ina)
图 2 电池比能量与放电深度关系
第 5期
邹连荣, 等: 航天用锂离子电池性能评估
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图 3是 10 Ah电池室温环境下不同倍率放电性 能曲线, 图 4是 10 Ah电池在 50 环境下不同倍率 放电性能曲线, 如图 3所示, 电池以 0. 2C 倍率放电 时, 室温和 50 时电池放电电压平台差异较小, 均 超过 3. 7 V; 从图上可以看出, 放电倍率越大, 电池 放电平台电压越低, 而且随着放电倍率的增大, 50 时电池放电平台电压比室温时下降得快. 50 条件 下, 随着放电倍率的增大, 电池内部温度也随之急剧 升高, 而电解液在 60 左右时局部发生分解反应, 电池内阻增大, 导致电池放电平台下降. 相同倍率条 件下, 室温时电池放电电压平台比 50 时略高, 电 池表现出良好的放电性能.
8 11 所 120~ 140 260~ 340
8 000 1 000
一般认为, 用于地球同步轨道卫星 ( GEO ) 的电 池, 在最大放电深度 ( DOD ) 60% 时的循环寿命是 1 200~ 2 400次, 在轨工作寿命高于 15年; 而低轨道 地球卫星 ( LEO) , 25% 放电深度 ( DOD) 时循环寿命 大于 35 000次, 在轨工作寿命高于 7年. 在正式发 射前, 电池在地面上还要存储几年. 这些要求超出了 目前商业化便携式电子产品所用电池的性能指标. 因此, 电池的寿命对卫星来说是极其重要的.
Abstract: T he lithium ion batteries w ith nom inal capacity of 10 Ah w ere stud ied, and their perform ances o f energy density, discharg ing at h igh and low tem perature, cycle and resistance w ere eva luated. The resu lts show that the energy density of 10Ah battery is h igher than 150 W h / kg. F rom com parison experim ents at room tem perature and 50 , it is show n that the vo ltage of discharge flat drops faster w ith increasing d ischarge rate at 50 . The capaci ty re tention is 97. 1% , 91. 7% and 83. 3% at - 10 , - 20 and 30 respectively. It is 86. 6% a fter 1 000 cyc les at the charg ing and discharg ing rate of 0. 5C. F rom the cyc le life sim ulat ion experim ent for Low Earth O rb it Satellite? w ith depth of discharge o f 25% , 30% and 40% , these batteries exh ib ited good cycle perform ance. A ll these have ach ieved the perform ance index of lith ium ion secondary battery for aerospace. K eyword s: L ithium ion battery; D ischarge perform ance; Low Earth O rbit Sate llite
力电源之一, 并将在人造卫星、航空航天和储能方面 其在航天领域的应用有一定的优势, 因此, 全球一些
得到应用. 自 20世纪 90年代以来, 小卫星的发展势 头极为迅猛. 由于广泛采用了新技术并拓宽了产品
大公司和军事部门纷纷投巨资对航天用锂离子电池 进行研究和开发 [ 1- 5] , 并取得了一定的成效. 例如美
2 结果与讨论
图 可以看出, 电池在 95% 放电深 度时比能 量达到 150W h / kg, 在 0! DOD! 90% 范围内电池释 放的能量与放电深度几乎成线性关系, 这样在使用 过程中就可以根据电池的放电深度计算出电池的剩 余能量, 从而算出电池的剩余使用时间 [ 6] .
锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电
卫星电源系统是卫星的关键分系统之一, 它担
子产品如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应 负着为卫星的其他分系统和有效载荷供电的重要任
用. 前几年开发的大容量锂离子电池已在电动汽车 务. 锂离子电池由于自身的特点, 特别是它具有高的
中开始试用, 预计将成为 21世纪电动汽车的主要动 比能量、较宽的使用温度范围及高的单电池电压, 使
缓, 并放出能量. 温度越低, 电池体系物质活性降低, 内阻越大, 电池放电 电压平台越低, 放出的能 量越 少. 低温条件下, 锂离子在正负极中的传输是限制电 池电化学性能的主要因素. 和常温相比, 电池低温放 电平台的降低, 说明温度降低导致放电过程中正负 极颗粒内外层极化增大, 即锂离子在正负极固体颗 粒中传输阻抗增大, 导致放电过程中电池电压过早 达到放电终止电压, 放电容量也相应减小, 放电平台 降低.
选用范围, 现代小卫星具有功能集成度高、研制周期 国的 NASA、Eag le P icher 和 Yardney 公 司, 法 国 的
短、费用成本低等特点, 为国际航天界展示了一个极 SAFT 公司, 日本的 JAXA等. 中国科学院从 1998年
为广阔的开发和应用市场前景.
初开始了卫星用锂离子电池的预研工作, 主要目的
本研究工作针对航天用锂离子电池的要求, 设 计并制备大容量锂离子电池, 对其进行可行性研究, 并对其质量比能量、高低温 放电性能、LEO 循环寿 命及电池内阻等进行评估.
1实 验
1. 1 电池的制备
正电池极片均由外单位协作加工, 乙炔黑作为导 电剂, PVDF作为黏结剂, 正极材料采用瑞祥的 L iCoO2, 按一定比例制成极片, 要求涂布后碾压厚度 ! 160 m, 单位面积容量 4. 6 ∀ 0. 2 mA h / cm2; 负极材料采用杉杉 的 CM S- 1, 按一定比例制成极片, 要求涂布后碾压 厚度 ! 115 m, 单位面积容量 5 ∀ 0. 2 mA h / cm2. 电 解 液 是 张 家 港 的 1M L iPF6 / EC + DMC ( 体 积 比 1 #1), 含成膜添加剂, 装备成 10 Ah方型锂离子电池, 平均质量为 228. 2 g, 电池均采用折叠式 (见图 1).
( 1. 哈尔 滨工程大学 材料科学与化学工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001; 2. 中国科学 院 上海微系统与信息技 术研究所, 上海 20 005 0 )
摘 要: 通过对额定容量为 10 A h电池的研 究, 评价 了电池 的比 能量、高低 温放 电性 能、循环性 能及 电池内 阻
等. 实验表明, 电池的能量密度超过 150W h /kg; 室温与 50 的对比实验表明, 随着放电倍率的增大, 50 时放
收稿日期: 2006 - 12- 28. 作者简介: 邹连荣 ( 1981- ) , 男, 硕士研究生, 主要研究方向: 锂离子电池及材料, E m ai:l zlrt@j 163. com.
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应
用
科
技
第 34卷
是开发用于卫星、宇宙飞船、空间站等航天飞行器电 源系统的贮能电源以及其他空间任务用电源系统. 表 1是国内外航天用锂离子电池技术水平对比, 从 表中不难看出, 国内锂离子电池水平跟国外相比存 在一定的差距, 还有待进一步提高.
图 1 方形锂离子电池结构
1. 2 电池性能评估 10 Ah电 池以 0. 5C 倍率做 充放电测 试; 电 池
高、低温放电性能实验, 10 Ah电池在室温下以 0. 2C 倍率充电至 4. 2 V, 分 别在 20 、40 、50 以 0 2C、0. 5C、1C 倍率放电至 3. 0 V , 分别在 - 10 、 - 20 、- 30 环境下, 以 0. 2C倍率放电至 2. 5 V, 每做一次循环实验, 电池在室温条件下以 0. 1C 做 3 次循环; 分别以 25% 、30% 及 40% DOD做 LEO 循环 寿命实验, 电池均以恒流放电; 此外对电池内阻进行 了测试.
表 1 国内外锂离子电池技术水平对比
研制单位 E ag le P icher SAFT
质量比能量 W h /kg 120~ 140 120~ 140
体积比能量 W h /L 250~ 340 260~ 340
循环周数 30% DOD 20 000
15 000
循环周数 80% DOD 1 000
1 000
第 34卷第 5期 2007年 5月
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用
科
技
A pp lied Science and T echno logy
文章编号: 1009- 671X ( 2007) 05- 0057- 05