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

目前中大型無人機廣泛采用動力裝置有往復式和旋轉(zhuǎn)式活塞發(fā)動機，以及渦噴、渦扇、渦槳和渦軸燃氣渦輪發(fā)動機［1］。小型和微型無人機主要用于戰(zhàn)場偵察和特種作戰(zhàn)，常使用蓄電池驅(qū)動［2］。在對重量限制要求較高的無人機上，鋰離子蓄電池作為目前商用蓄電池中比能量最高的儲能電源，有望逐漸占據(jù)主導地位。無人機在數(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，同時為減輕整機重量以增加續(xù)航時間，需要蓄電池有較高的比能量。另外，無人機在起飛、爬升和抗強風飛行等時又需要蓄電池有一定的大功率輸出能力，還要求同時蓄電池有高安全性。影響上述重要性能指標的因素有蓄電池的正負極材料體系、電解液體系、電池設計和生產(chǎn)過程質(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)點是有較高的克容量、高振實密度、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，缺點是材料的熱穩(wěn)定性相對較差［3－4］。鈷酸鋰體系的鋰離子蓄電池是小型和微型無人機較可行的儲能電源方案。

某無人機的飛行環(huán)境溫度較寬。對蓄電池組性能的要求有電池組的標稱電壓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；單體電池在過充和短路的安全試驗中不起火或冒煙。對此，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，本文對單體電池和蓄電池組的性能進行了測試和分析。

1 實驗

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、導電劑SP、KS6和PVDF（質(zhì)量分數(shù)11%）按質(zhì)量比85∶3∶5∶7進行混合，加入適量NMP（根據(jù)料膏的黏稠程度調(diào)節(jié)NMP加入量）進行機械攪拌；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；在輥壓機上壓實極片，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。

負極極片采用SBR＋CMC／H2O粘結(jié)劑體系制備：將石墨、導電材料乙炔黑（AB）、CMC和SBR按質(zhì)量比8∶1∶0.6∶0.4進行混合，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，電池的組裝過程均在充滿氬氣的手套箱中進行。

1.2 單體電池和電池組制備

根據(jù)無人機的功率和能量要求，設計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，石墨為負極，按負極極片容量比對應的正極極片容量過量10%的原則，分別制備設計的正負極極片，極片通過滾壓、沖切和烘干等過程。聚丙烯薄膜作為隔膜，采用散熱性能好、正負電極極化小、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、隔膜和負極片一次疊成（以提高蓄電池在大電流輸出時的電壓特性）。同時，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的高電化學體系，不銹鋼或鎳極耳在高電位的電化學體系中會出現(xiàn)電化學腐蝕和自放電等現(xiàn)象，故正極耳用鋁材料，負極耳用鎳材料。為便于單體間的串并聯(lián)，正負極耳外部包覆銅片。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)，用封口機將注液口封好。

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

2 實驗結(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裝配成扣式電池，在LAND電池測試系統(tǒng)中進行充放電測試得到。本文的正極材料為商業(yè)化鈷酸鋰，測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

按國軍標相關(guān)標準，在LAND電池測試系統(tǒng)中對鋰離子蓄電池單體的電池常溫、高低溫、循環(huán)和安全性能等進行了測試。

2.2.1 充放電性能

以0.2C（1.5A）的電流對電池進行充放電，測試結(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約3.7V，實際放電容量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倍率的電流對電池進行放電，測試結(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%，說明蓄電池具有較好的倍率性能。為獲得高比能量，蓄電池設計中選擇了較高的極片面密度，導致電極片的極化相對較大，2C放電電壓平臺較0.2C電壓平臺低約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，僅放電電壓平臺稍增，滿足無人機對單體電池溫度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，再進行1C放電，放電截止電壓2.0V，測試結(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 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)性能雖已滿足無人機使用要求，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

對蓄電池在使用過程中最可能出現(xiàn)的兩種安全性問題（過充電和短路）進行了測試。

a）過充電

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

b）外短路

在滿電態(tài)單體電池的正負極耳間連接一空氣開關(guān)，外電路阻值約20mΩ，短路過程中測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，同時溫度迅速上升，當電池電壓到達0V時，電池溫度達到最高值90℃，同樣出現(xiàn)了鼓脹，但未起火或冒煙等，滿足無人機對單體電池外短路試驗的要求。

綜合上述單體電池性能測試結(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人機對單體電池的要求。

2.3 鋰離子蓄電池組性能

根據(jù)無人機動力系統(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，同時在一定的溫度范圍內(nèi)，滿足2C放電3min后再1C放電時間需大于48min。

2.3.1 常溫性能

常溫下，以電流15A對蓄電池組進行恒流充放電，監(jiān)測每個單體電池電壓，電池的充放電截止電壓15～21V，標稱電壓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，滿足無人機對蓄電池組的要求，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

在低溫箱中測試蓄電池組的低溫性能。為避免低溫箱中強風冷對流對蓄電池組的散熱產(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際工作溫度環(huán)境。設測試溫度為－20℃，－30℃，－40℃，根據(jù)無人機對電源的使用要求，將滿電態(tài)的鋰離子蓄電池組放置在低溫箱內(nèi)擱置24h，之后連接至電子負載進行放電（放電制度為2C倍率（30A））3min，隨后停止放電，數(shù)秒內(nèi)手動操作轉(zhuǎn)至1C倍率（15A）放電，直至1C放電過程有單體電池的電壓低于3V。

蓄電池組在溫度－20℃下放電的測試結(jié)果如圖12所示。由圖可知：在溫度－20℃下，在2C放電開始瞬間，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，此時蓄電池組開路電壓迅速上升至約19.5V；進行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，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，放電時間同樣滿足無人機動力系統(tǒng)的要求。

蓄電池組在溫度－40℃下的放電試驗結(jié)果表明：初始2C放電時單體電壓迅速下降到2.0V以下，無法正常放電。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)境中可對蓄電池組短時放電進行預熱，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時停止放電，放電曲線如圖13所示。由圖可知：在整個放電過程中，蓄電池組溫度不斷上升，當放電時間達到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高，直接停止放電，此時蓄電池組電壓約18V，單體電池電壓3.6V。測試結(jié)果表明：蓄電池組在60℃下可長時間工作，但因電池組合的方式導致不易散熱，放電過程中溫升較大。需說明的是，鋰離子蓄電池組通常有合適的工作溫度范圍，長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試結(jié)果：電池組的標稱電壓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，各項性能指標均滿足無人機的使用要求。

3 結(jié)束語

本文對一種研制的無人機用鋰離子蓄電池的性能進行了測試和分析。以LiCoO2為正極，石墨為負極，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性能和安全性能，比能量達到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，試驗表明電池組的重量、標稱電壓、容量、高低溫性能和安全性能等均滿足無人機對蓄電池組的要求。該體系電池在無人機有較好的應用前景。

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