周亦龍，檀立新，任學(xué)穎，樊紅敏，范梅梅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

三種大容量長(zhǎng)壽命低軌道用氫鎳蓄電池研究

周亦龍，檀立新，任學(xué)穎，樊紅敏，范梅梅

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

通過長(zhǎng)壽命正極等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，研制出一個(gè)大容量淺充淺放型氫鎳蓄電池（Ni-H2）系列，包括G60氫鎳蓄電池、QNY1G100氫鎳蓄電池、QNY1G150氫鎳蓄電池3個(gè)產(chǎn)品。經(jīng)鑒定測(cè)試，該系列電池比能量超過57Wh/kg、預(yù)計(jì)循環(huán)壽命可達(dá)到40000次（DOD 40%），適于空間站等長(zhǎng)壽命低地球軌道條件下應(yīng)用。

氫鎳蓄電池；低軌道應(yīng)用；大容量；長(zhǎng)壽命

1 引言

氫鎳蓄電池是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的第二代“太陽(yáng)電池陣-蓄電池組”衛(wèi)星電源系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置，是比鎘鎳蓄電池更新的一種貯能體系。氫鎳蓄電池是鎘鎳蓄電池技術(shù)和燃料電池技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物［1］，采用的固體鎳電極類似于鎘鎳蓄電池的鎳電極，負(fù)極是燃料電池使用的鉑催化氣體電極，在該電極上氫氣能夠發(fā)生催化電化學(xué)反應(yīng)，這是氫鎳蓄電池的特點(diǎn)之一。由于負(fù)極活性物質(zhì)是氫氣，整個(gè)電池的極組設(shè)計(jì)在一個(gè)壓力容器內(nèi)。一個(gè)壓力容器、一個(gè)電池極組、1.25 V電壓，這種設(shè)計(jì)的氫鎳蓄電池叫IPV（Independent pressure vessel）電池；一個(gè)壓力容器、兩個(gè)電池極組、2.5 V電壓，這種設(shè)計(jì)的氫鎳蓄電池叫CPV （Common pressure vessel）電池。氫鎳蓄電池技術(shù)發(fā)展最初集中在獨(dú)立容器的IPV電池設(shè)計(jì)上，電池直徑包括88.9 mm（3.5英寸）、115 mm（4.5英寸）和139.7 mm（5.5英寸）等幾種類型，電池殼體用Inconel 718（鎳基合金）制造，內(nèi)部電池極組分低地球軌道（LEO）和地球同步軌道（GEO）應(yīng)用兩種設(shè)計(jì)，電池設(shè)計(jì)容量范圍覆蓋50～300 Ah，質(zhì)量比能量不超過75 Wh/kg。由于密封氫鎳蓄電池具有壽命長(zhǎng)等主要優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)70年代起得到了系統(tǒng)的研究和發(fā)展［2］，主要應(yīng)用于航天，特別是用作衛(wèi)星和空間站的儲(chǔ)能設(shè)備。它的高比能量特性使蓄電池組在滿足功率和能量的使用要求下，總質(zhì)量得到較大幅度的減輕；它的充放循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)能延長(zhǎng)衛(wèi)星等航天器的工作壽命，提升經(jīng)濟(jì)性。此外，它充電和過放電能力強(qiáng)的特點(diǎn)能簡(jiǎn)化電源系統(tǒng)控制部分的設(shè)計(jì)，提高電源分系統(tǒng)的可靠性。

氫鎳蓄電池已經(jīng)成為空間飛行器用最主要的化學(xué)貯能電源之一，高軌道長(zhǎng)壽命大功率衛(wèi)星幾乎100%都使用氫鎳蓄電池，低軌道飛行器中也有相當(dāng)數(shù)量的飛行器采用高壓氫鎳蓄電池作為貯能電源。盡管目前受到高比能量鋰離子蓄電池的沖擊，氫鎳蓄電池有被替代失去重要地位的可能［3-5］，但其成熟的飛行經(jīng)驗(yàn)及高可靠和長(zhǎng)壽命特性，使其不會(huì)很快退出應(yīng)用舞臺(tái)。同時(shí)，工程技術(shù)人員也在對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以使其具有更高比能量，如采用纖維鎳作為鎳電極的導(dǎo)電骨架［6］，優(yōu)化單體電池和電池組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開發(fā)300 Ah以上容量的電池［7］以滿足高功率、長(zhǎng)壽命衛(wèi)星的工作需要。因此，隨著航天工業(yè)的發(fā)展，未來(lái)高壓氫鎳蓄電池還會(huì)在空間飛行器上繼續(xù)使用，并進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍。本文中，通過長(zhǎng)壽命正極等關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，研制出一個(gè)低軌道應(yīng)用氫鎳蓄電池（Ni-H2）系列，包括NY1G60氫鎳蓄電池、QNY1G100氫鎳蓄電池、QNY1G150氫鎳蓄電池3個(gè)產(chǎn)品。經(jīng)鑒定測(cè)試，該系列電池比能量超過57 Wh/kg、循環(huán)壽命達(dá)到40 000次（DOD 40%），適用于低地球軌道（LEO）等淺充淺放條件下應(yīng)用。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 低軌應(yīng)用特點(diǎn)分析

低軌道應(yīng)用電池必須能夠進(jìn)行幾萬(wàn)次的充放電循環(huán)，使用電極需經(jīng)得起上萬(wàn)次循環(huán)產(chǎn)生的應(yīng)力［8］，與其他體系電池相比，氫鎳蓄電池適合低軌應(yīng)用的主要特點(diǎn)是：基板強(qiáng)度高，經(jīng)得起濫用（過充、過放）；循環(huán)壽命長(zhǎng)，容量衰減??；壓力對(duì)應(yīng)容量，充電控制方式多樣等［9］。

容量衰降是氫鎳蓄電池使用過程中常見的失效模式，不同設(shè)計(jì)的氫鎳蓄電池在壽命期間的衰退速率是不一樣的。部分國(guó)內(nèi)外電池的壽命試驗(yàn)結(jié)果表明［9］：氫鎳蓄電池在循環(huán)壽命試驗(yàn)的中、前期，電池容量衰降較小，壽命后期則呈現(xiàn)衰降增大的趨勢(shì)。因此，在電池設(shè)計(jì)時(shí)須考慮充分的容量裕度。

2.2 長(zhǎng)壽命低軌用氫鎳電池關(guān)鍵技術(shù)的解決

通常用96 min軌道來(lái)表征低軌衛(wèi)星應(yīng)用的特點(diǎn)，該軌道距離地球555 km，衛(wèi)星在該軌道繞地球飛行一圈的時(shí)間為96 min，每天飛行15圈，每一圈需要蓄電池供電的時(shí)間最長(zhǎng)不超過36 min，因此要求蓄電池盡量在60 min內(nèi)充滿電，相對(duì)于高軌道應(yīng)用電池，其放電倍率變化不大，但充電倍率卻增加了好幾倍。長(zhǎng)壽命低軌用氫鎳電池的關(guān)鍵技術(shù)是研究一種更強(qiáng)壯的鎳電極。在長(zhǎng)壽命電極技術(shù)攻關(guān)中，通過在基底上涂覆一層T210鎳粉層增強(qiáng)基板燒結(jié)層與穿孔鎳帶之間的結(jié)合力。研制了一種高強(qiáng)度鎳基板［10］，根據(jù)基板的表觀、強(qiáng)度、孔率和孔徑分布選定燒結(jié)工藝。然后采用電化學(xué)浸漬的方法制備成長(zhǎng)壽命鎳電極，電極的循環(huán)壽命性能有較大提高［11］。

2.3 典型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

典型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)充分繼承現(xiàn)有氫鎳蓄電池的成熟技術(shù)，極組設(shè)計(jì)采用背靠背方式。IPV電池設(shè)計(jì)電壓為1.25 V，電池由電池殼體、極組（1個(gè)單元）、密封極柱等零部件組成。CPV電池設(shè)計(jì)電壓為2.5 V，電池內(nèi)部有兩個(gè)單元串聯(lián)的極組。電池的設(shè)計(jì)狀態(tài)見表1所示。

表1 電池的設(shè)計(jì)狀態(tài)Table 1 Introoduction of cell design

研究針對(duì)低軌道應(yīng)用的特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)長(zhǎng)壽命正極技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)。典型產(chǎn)品的容量選擇在該系列電池可能的擴(kuò)展范圍內(nèi)具有代表性，設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，產(chǎn)品實(shí)物照片見圖1。

表2 典型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of typical cells

圖1 典型產(chǎn)品實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Photo of cells

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 溫度特性試驗(yàn)

為滿足在軌長(zhǎng)壽命高可靠工作，需要了解該系列氫鎳蓄電池在工作溫度范圍內(nèi)不同溫度點(diǎn)（-20℃～30℃）的容量特性和自放電特性。從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，取有代表性的100 Ah電池分別在-20℃±3℃、-10℃±3℃、0℃±3℃、10℃±3℃、20℃±3℃、30℃±3℃環(huán)境下進(jìn)行容量試驗(yàn)和72 h自放電試驗(yàn)。試驗(yàn)中，放電容量、3天自放電充電容量與環(huán)境溫度的變化規(guī)律，充電終止電壓、放電中間電壓（C/2放電1 h時(shí)）隨溫度的變化規(guī)律見圖2、3。圖2可見，在環(huán)境溫度0℃時(shí)的放電容量最大；充電終止電壓與溫度負(fù)相關(guān)，C/2放電1 h電壓在20℃有最大值，充電終止壓力在20℃則有最小值；圖3可見，電池自放電率與溫度呈非線性正相關(guān)，溫度越高，自放電率上升幅度越大；同一溫度下，自放電率與擱置時(shí)間呈非線性正相關(guān)，擱置時(shí)間越長(zhǎng)，自放電率增幅越小。

圖2 放電容量、3天自放電容量與溫度關(guān)系Fig.2 Capacity and capacity after 3 days vs.temperature

圖3 充電終止、放電中間電壓與溫度關(guān)系Fig.3 Cell voltage at the end of charge and mid of discharge vs.temperature

3.2 鑒定檢驗(yàn)試驗(yàn)

按該系列電池的詳細(xì)規(guī)范，對(duì)電池進(jìn)行了鑒定檢驗(yàn)試驗(yàn)，鑒定試驗(yàn)結(jié)果均滿足規(guī)范要求，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表3。

3.3 過放電、過充電試驗(yàn)

鑒定檢驗(yàn)時(shí)，對(duì)QNY1G100和QNY1G150進(jìn)行了過充電試驗(yàn)（參照GJB2831A-2009［12］制定的試驗(yàn)條件：環(huán)境溫度10℃±3℃下，以0.1 CA電流充電12～15 h后，再以0.1 CA電流過充電24 h）和過放電試驗(yàn)（試驗(yàn)條件：環(huán)境溫度10℃±3℃下，以0.1 CA電流充電12 h，以0.6 CA電流放電至1.0 V后，繼續(xù)以0.6 CA電流過放電1.2 h），電池過充電時(shí)電壓曲線見圖4，過放電時(shí)電壓曲線見圖5，電池過放電時(shí)的電壓曲線變化平緩且無(wú)突變。

表3 電池系列鑒定檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Table 3 Results of critical tests

圖4 電池過充電電壓曲線Fig.4 Cell voltage vs.state of overcharge

圖5 電池過放電電壓曲線Fig.5 Cell voltage vs.state of reversal

3.4 壽命試驗(yàn)結(jié)果

三種電池的壽命試驗(yàn)中，由于實(shí)際壽命試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，鑒定時(shí)只完成了部分循環(huán)次數(shù)，在規(guī)定的壽命循環(huán)后測(cè)試電池容量相對(duì)與試驗(yàn)前的初始容量均未見下降，滿足詳細(xì)規(guī)范的要求。

早期研制的100 Ah電池，采用的燒結(jié)基板未進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，能夠完成40%DOD充放電循環(huán)34 000次以上，試驗(yàn)電池電性能穩(wěn)定。結(jié)合短期電極過應(yīng)力比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果（技術(shù)攻關(guān)前后），推斷本研究在正極進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)后，研制電池的循環(huán)壽命將大幅度提高，可能達(dá)到4萬(wàn)次，滿足低軌長(zhǎng)壽命的要求。

4 結(jié)論

通過長(zhǎng)壽命電極技術(shù)的攻關(guān)，研制了3種低軌用氫鎳蓄電池，每種產(chǎn)品均具有較好的擴(kuò)展性，可以根據(jù)型號(hào)的實(shí)際需求進(jìn)行擴(kuò)展，IPV電池設(shè)計(jì)容量可覆蓋50～200 Ah，CPV電池的設(shè)計(jì)容量可覆蓋20～100 Ah，可以根據(jù)工程型號(hào)的實(shí)際需求對(duì)電池容量進(jìn)行靈活擴(kuò)展、推廣應(yīng)用，特別適合用作長(zhǎng)壽命低軌道（LEO）應(yīng)用航天飛行器的儲(chǔ)能電源，比如用作空間站的儲(chǔ)能電源，因其有大容量、高可靠、長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，具備較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

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Research on Three High-capacity and Long-life Ni-H2Cells Applied in Low Earth Orbit（LEO）

ZHOU Yilong，TAN Lixin，REN Xueying，F(xiàn)AN Hongmin，F(xiàn)AN Meimei
（No.18th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation，Tianjin 300384，China）

A series of cells includingG60，QNY1G100 and QNY1G150 have been developed by using long life cathode.They had the characteristics of high capacity and long life with low Depths of Discharge（DOD）.The results of tests showed that the specific energy of these cells were over 57 Wh/kg and their life arrived 40000 times（DOD 40%）.They were suitable for application in low Earth orbits.

Nickel-hydrogen（Ni-H2）cell；LEO application；high capacity；long circle life

TM912.2

A

1674-5825（2015）06-0593-04

2015-04-07；

2015-10-24

周亦龍（1978-），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭臻g儲(chǔ)能電源技術(shù)。E-mail：zizyl@eyou.com