空間鋰離子蓄電池應用研究現狀與展望

羅廣求，羅 萍

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

空間鋰離子蓄電池應用研究現狀與展望

羅廣求，羅 萍

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

綜述了國內外空間航天器鋰離子電池的發展和應用狀態，分析了未來空間飛行器對儲能電池的技術發展要求，并對空間鋰離子蓄電池發展路徑進行了技術展望。

鋰離子電池；空間；應用現狀；技術展望

鋰離子電池具有比能量高、壽命長、自放電小、可串并聯組合設計等一系列優點，已在3C電子產品、電動汽車、電動工具以及地面儲能電站等方面得到廣泛應用。上世紀90年代末期，隨著鋰離子電池技術成熟度的不斷提升，國際上開始了鋰離子電池在航天器上的應用研究，通過近20年的發展，目前，鋰離子電池已成為繼鎘鎳電池和氫鎳電池后的第三代空間儲能電源，并逐漸占據主導地位，顯著提升了空間飛行器的能源技術水平。本文系統研究了國際國內空間鋰離子電池的研究進展，并根據空間工程發展趨勢，對未來空間鋰離子電池技術發展需要和方向進行了分析和展望。

1 空間鋰離子電池發展現狀

1.1 國外空間鋰離子電池發展現狀

目前，鋰離子電池作為航天器儲能電池已進入比較成熟的應用階段，截止2016年底，全球有近350個航天器采用了鋰離子電池作為儲能電源在軌飛行。國際上，從事空間用鋰離子蓄電池研制開發的公司主要有法國的SAFT公司、美國的Lithion公司(Yardney技術公司)、日本的湯淺公司和三菱公司以及英國的AEA技術公司。空間鋰離子電池主要有圓柱形、方形和橢圓形三種結構形式。

1.1.1 圓柱形鋰離子電池

圓柱形鋰離子電池外形結構穩定，電芯采取卷繞成型結構，圓柱面徑向360°受力均勻，電池殼體長期保持穩定。法國SAFT公司是目前國際上空間鋰離子蓄電池主要制造商，SAFT公司的空間鋰離子電池以圓柱形結構為主，典型產品有圓柱形VES系列、VL系列，如圖1所示。

圖1 SAFT公司的空間鋰離子電池產品系列

SAFT圓柱形VES系列能量型電池產品性能參數如表1所示，其中以VES180型號電池容量最大，初始容量50 Ah，比能量165 Wh/kg，滿足低軌8年，高軌15年的壽命要求，型號應用廣泛；VES16型鋰離子電池兼具功率性能好、循環壽命長的特點，初始容量4.5 Ah，比能量150 Wh/kg，滿足長期3Ca放電技術要求，20%放電深度(DOD)循環次數達到6萬次，滿足低軌衛星10年壽命需要；VL系列電池為高功率型鋰離子電池，其中VL8P圓柱形鋰離子電池為典型產品，2秒脈沖比功率達到20 kW/kg。

SAFT公司空間鋰離子蓄電池組的設計采取模塊化拼裝形式，依據母線電壓要求和功率需求進行串并聯數量的設計，每個標準并聯模塊中單體電池與基座卡套通過膠粘固定，如圖2所示。

SAFT空間鋰離子蓄電池的型號應用覆蓋高軌道、低軌道和中軌道，設計壽命覆蓋低軌衛星10年，高軌衛星15年，截止2016年10月，SAFT公司研制的鋰離子蓄電池在軌型號已超過182個[1]，是國際上鋰離子蓄電池在空間上應用最多的制造商。

圖2 SAFT公司空間鋰離子蓄電池組產品P-S組合設計

英國AEA技術公司選用的鋰離子電池也采用圓柱形結構，該公司通過對商用18650型電池的評估，采取S-P組合形式設計蓄電池組，如圖3所示。

圖3 AEA公司18650型鋰離子電池電連接拓撲與蓄電池組設計

采用這種拓撲結構的優勢包括：單體容量小，單只電池容量1.5～2.5 Ah。小容量18650型鋰離子電池在進行組合時，可通過串聯實現需要的工作電壓，通過并聯獲得需要的蓄電池容量；電池具備fail-breaker功能，一只電池發生故障會發展為開路模式，可通過冗余設計來解決容量不足問題，無須By-pass旁路管理；無需均衡管理，可簡化蓄電池管理模式；18650型電池來自規模生產線，制造成本相對較低；組合結構靈活，可采取嵌入式或者寄生式結構，提升衛星空間利用率。AEA技術公司的小型18650型鋰離子電池在短期壽命小衛星領域占據了一定的市場份額，典型產品有PLEIADES衛星、PROBA-1衛星和Mars Express等。另外，18650型電池在一些皮納衛星的集成電源設計上也得到了良好應用。

1.1.2 方形鋰離子電池

方形電池相對圓柱形電池能量密度大，但電池外形結構穩定性差。國際上美國Lithion公司(Yardney技術公司)在方形鋰離子蓄電池技術上的研究起步較早，電池種類較多，容量覆蓋10～60 Ah，其10 Ah方形電池成功應用于火星探測器，其產品以及典型應用如圖4所示。

圖4 XSS-11衛星與火星登陸器用Yardney鋰離子蓄電池(33 Ah)

美國Eaglepiche公司鋰離子電池單體也采用方形結構，額定電池容量為52 Ah的鋰離子電池采用鈷酸鋰/中間相炭微球材料體系，額定容量為70 Ah的鋰離子電池采用氧化鎳鈷鋁(NCA)/人造石墨(MFG)材料體系。電池產品主要用于高軌通信衛星，截止2016年底，應用型號約15個。

美國Quallion公司空間方形鋰離子電池容量主要有15 Ah和30 Ah兩種，活性材料體系為NCA/人造石墨(MAG)體系，蓄電池組采用框架拉桿式結構，蓄電池組應用型號約8～10個，以高軌道衛星為主。

1.1.3 橢圓形鋰離子電池

橢圓形鋰離子電池電芯為卷繞式橢圓結構，殼體兼具方形屬性，有利于提升蓄電池組的裝配體積比能量。空間橢圓柱形鋰離子電池的研制者主要有日本湯淺公司和三菱公司，其中湯淺公司的鋰離子電池單體容量范圍覆蓋10～190 Ah，代表產品為100 Ah鋰離子電池，主要應用型號為國際空間站貨運HTV和HAYABUSA。另外，其50 Ah和100 Ah橢圓形鋰離子蓄電池在SERVIS-1衛星和ThaiCom-4衛星中得到應用。

日本三菱公司空間鋰離子單體結構與GS湯淺類似，也采用橢圓形結構。為防止橢圓形電池形變對蓄電池組結構的破壞，三菱公司在蓄電池設計上采取筐體結構，單體電池之間采取了碳纖維擋板隔離設計方法，如圖5所示。該設計不僅顯著提升了材料強度，同時相對鋁合金結構材料，質量降低12%，導熱能力提升20%以上。

圖5 日本三菱公司的衛星用鋰離子蓄電池組結構設計示例

1.2 國內空間鋰離子電池的發展現狀

國內空間鋰離子電池工程技術研究始于2000年前后，主要研制單位有中電18所和航天811所。2008年，鋰離子電池在“神七”伴星和“希望一號”小衛星中開始了空間應用。截止2016年，我國鋰離子電池已成功應用于包括高分衛星、試驗衛星、嫦娥三號、導航衛星、通信衛星等近50個型號，型號覆蓋低軌道、中軌道、高軌道和深空軌道，壽命滿足低軌1～5年，高軌10～15年要求。

單體電池技術上，中電18所研制的空間鋰離子電池以圓柱形電池為主，容量包括 10、15、20、25、30、45 和 50 Ah，產品比能量120～200 Wh/kg，滿足低軌5～8年、高軌15年壽命要求，目前在軌型號超過25個，全部工作正常，其中“希望一號”小衛星鋰離子蓄電池在軌工作滿足6年，我國首顆設計壽命為5年的低軌應用衛星“高分一號衛星”80 Ah鋰離子蓄電池在軌已接近4年，蓄電池工作穩定、電性能未見明顯衰降。

811所空間鋰離子電池主要以方形電池為主，在軌應用型號超過20個，“神七”伴星10 Ah蓄電池組是我國鋰離子電池的首次應用，取得良好效果，其他型號應用以中低軌衛星型號為主，方形單體組成的電池組體積相對較小，有利于節省安裝體積。

2 空間鋰離子電池的發展趨勢

2.1 空間應用需求趨勢

空間儲能電池始終以滿足空間平臺和載荷的用電需求為目標，故空間型號的軌道條件、用電工況是蓄電池設計的工程基礎。從空間應用發展來看，鋰離子電池必須具備以下技術能力：

(1)工作壽命長，隨著電子元器件技術水平的不斷進步，空間型號的電子產品性能不斷提升、工作壽命越來越長，以衛星為代表的空間型號，其工作壽命取決于所攜帶燃料的多少和電源的保障能力，隨著電推進技術的發展，航天器采用電推進技術替代傳統的燃料推進，其壽命將不再受所攜帶燃料的制約，主要取決于電源的壽命能力，儲能電池作為航天器電源的關鍵部件，其性能是電源分系統的核心所在，因此，儲能電池工作壽命的顯著增長是未來低軌衛星延長至12年以上，高軌衛星提升至18年以上的關鍵所在；

(2)輕量化、高比能化，航天器的發射成本高，達每千克數萬元，輕量化設計是航天器產品一貫追求的目標，儲能電池的比能量從鎘鎳電池30 Wh/kg發展到氫鎳電池約60 Wh/kg，再發展到鋰離子蓄電池的100～150 Wh/kg，電池的換代升級對空間型號的輕量化設計做出了巨大貢獻，目前，新一代空間型號要求儲能電池能量密度越來越高，SAFT公司瞄準2020年推出200 Wh/kg級高比能鋰離子蓄電池[2]，對應單體電池比能量達到250 Wh/kg以上；

(3)大功率放電要求，隨著空間型號有效載荷的技術發展，以合成孔徑雷達(SAR)、激光或者微波設備為代表的大功率載荷對儲能電池的供電能力提出了新要求，蓄電池需具備提供短期5C～10C或者瞬時100C以上的放電能力，這對功率型鋰離子電池提出了新的挑戰，因此，空間高功率和超高功率鋰離子電池是空間鋰離子電池的重要發展方向，SAFT公司VL16功率型鋰離子電池具備3C長壽命放電能力，VL34P高功率鋰離子電池2秒脈沖放電已經實現20 kW/kg，達到100C以上，正在瞄準150C以上放電目標開展研究，這是工程應用的必然需要；

(4)一體化集成設計，以千克級或者數十千克微小衛星為代表的空間型號，衛星體積小，整星功率在瓦級至百瓦級以內，同時由于整體集成設計需要，蓄電池需要與控制電路集成設計，要求蓄電池具備異型結構、并可以靈活安裝，基于此類要求，發展聚合物鋰離子電池或采用18650型電池進行集成設計是重要方向。

2.2 空間鋰離子蓄電池技術的發展趨勢

從電池體系看，空間鋰離子電池與普通商品鋰離子電池并無本質區別，商品鋰離子電池，特別是動力電池的規模生產對空間鋰離子電池的研制具有很高的參考價值，從目前的技術發展看，2020年前，鋰離子電池的技術發展主要包括以下幾個方面：

(1)鋰離子電池材料體系優化升級，鋰離子電池技術水平的提高主要依賴于電活性材料、功能電解液、高性能導電劑等核心材料的性能提升，電池比能量的提升主要有賴于高容量正極材料、負極材料的開發和應用，目前看，5 V高電壓材料、富鋰多元材料、高鎳三元材料是正極材料的主要發展方向，負極方面在現有石墨類碳材料基礎上，開發硅基材料、合金材料是重點方向，電解液材料方面，高電壓體系下寬電化學窗口的電解液體系是重要方向，功能添加劑是提升電解液性能的關鍵手段，通過新型電池體系的設計，2020年前后，空間全密封鋰離子電池比能量有望達到250 Wh/kg以上，壽命能力滿足低軌10年、高軌18年應用需要，同時，隨著石墨烯改性活性材料的應用，功率型鋰離子電池性能將有顯著提升，可為空間大功率載荷和多工況用電模式提供選擇；

(2)生產工藝新技術趨勢，鋰離子電池的性能水平除了決定于電池材料，同時也受生產工藝制約，工藝技術和工藝管理是保障電池質量和可靠性的關鍵環節，同時也是電池安全性和可靠性的關鍵保障環節，隨著鋰離子電池能量密度不斷提升，充放電倍率不斷增大，電池的制造工藝和安全防護要求越來越高，電極制造技術、電極表面功能涂層技術、隔膜涂層工藝、補鋰工藝技術等將取得長足發展，對推動高性能鋰離子電池起到重要支撐作用；

(3)新一代鋰電池技術展望，空間儲能電池從鎘鎳電池到氫鎳電池，再到現在的鋰離子電池，蓄電池經歷換代后能量密度均有成倍的增長，壽命能力越來越長，目前，第四代空間儲能電池的發展尚處于探索階段，瞄準目標為400 Wh/kg以上，主要探索方向包括全固態鋰電池和鋰硫電池，相比于傳統鋰離子電池，全固態聚合物電池具有比能量高、安全性好、壽命長、工作溫度范圍寬、耐高電壓等突出優點，在超微超薄電池領域也有相當大的潛力，但全固態鋰電池在產品形態、安全性、使用條件等方面與目前的鋰離子電池有較大差別，固態電解質的應用、溫度適應性等方面還存在很多技術難點，需要攻關的技術還很多，鋰硫電池理論比能量達到800 Wh/kg，但鋰硫電池存在鋰負極穩定性差、容量循環衰降快、壽命短等方面的問題，需要關鍵技術的突破，這是下階段預先研究的重點。

3 結語

近年來，鋰離子電池已成為航天器主流儲能電池，滿足了航天器減重、延壽等技術需求，推動了空間儲能技術的升級換代，得到廣泛應用。隨著新材料發展、工藝技術進步，鋰離子電池技術水平具有較大的發展潛力，在能量密度、功率密度等方面可進一步提高，可為空間工程提供高效有力的電能保障。

[1]BORTHOMIEU D Y.SAFT group 2015&Li-Ion vs NiH[R].France:SAFT,2015:21-23.

[2]BIENSAN D P.SAFT Li-ion space batteries roadmap[EB/OB].2007-11-27.http://www.docin.com/p-306347697.html.

Current application status and devlopment prospect of Li-ion batteries for space

LUO Guang-qiu,LUO Ping
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The latest progress of Li-ion batteries for spacecrafts all over the world was reviewed. The technical develop requirements of storage battery for future spacecrafts were analyzed. And the technology development routes of Li-ion battery for space was prospected.

Li-ion battery;space;application status;technology prospect

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1501-04

2017-03-10

羅廣求(1977—)，男，湖南省人，碩士，高級工程師，主要研究方向為空間鋰離子蓄電池技術。