汪 靜，劉艷麗，喬學(xué)榮，陳 燕，馮 偉，張辰華

（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

0 引言

火星探測(cè)器任務(wù)包括火星環(huán)繞和著陸巡視，即開展火星全球性、綜合性的環(huán)繞探測(cè)，以及在火星表面開展區(qū)域性的巡視探測(cè)。此類任務(wù)對(duì)儲(chǔ)能電源一次電池提出了更高的要求。目前，鋰氟化碳電池是一次電池中比能量最高的新一代輕質(zhì)化電池[1-2]。組成鋰氟化碳電池的主要材料有正極活性物質(zhì)氟化碳、金屬鋰負(fù)極、隔膜和電解液。氟化碳材料是一種兼具電化學(xué)活性和熱力學(xué)穩(wěn)定性的材料，在400 ℃高溫下不會(huì)發(fā)生分解。相對(duì)于其他鋰原電池而言，鋰氟化碳原電池的正極材料安全性能更優(yōu)，但電池在放電過程中釋放的熱量較大[3]，故需要對(duì)其比熱容和發(fā)熱量熱特性進(jìn)行測(cè)量。

本文以某型號(hào)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為背景，首次開展了鋰氟化碳軟包電池?zé)崽匦缘募夹g(shù)研究，旨在摸索出一套合理有效的比熱容和發(fā)熱量的測(cè)量方法，為后續(xù)深空探測(cè)器鋰氟化碳電池?zé)崽匦詼y(cè)量提供參考。

1 熱特性測(cè)量方案

本文選取21 A·h 鋰氟化碳軟包電池若干典型試驗(yàn)樣本，開展單體電池平均比熱容測(cè)量、4.2 A 連續(xù)放電發(fā)熱量測(cè)量和按給定負(fù)載功率曲線放電發(fā)熱量測(cè)量。

1.1 測(cè)量原理

對(duì)于一個(gè)不與外界進(jìn)行熱交換的孤立系統(tǒng)（即絕熱系統(tǒng)），其內(nèi)部所產(chǎn)生或吸收的熱量將全部用于系統(tǒng)自身的溫度上升或下降。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中：Q 為系統(tǒng)發(fā)熱或吸熱的功率，在比熱容測(cè)試時(shí)為電加熱器功率，W；Δt 為放熱或吸熱的時(shí)間，h；C 為比熱容，W·h/(kg·℃)；M 為質(zhì)量，kg；ΔT 為溫升或溫降值，℃；I 為加熱器電流，A；R 為加熱器電阻，Ω。

因此，可在絕熱條件下測(cè)量鋰氟化碳電池的溫度變化，然后依據(jù)式(1)、(2)計(jì)算出電池的比熱容。

1.2 樣本及試驗(yàn)裝置

用于測(cè)量的21 A·h 鋰氟化碳軟包電池樣本如圖1 所示，電池單體尺寸為長(zhǎng)147 mm、寬150 mm（其中極耳長(zhǎng)20 mm）、厚度6 mm。測(cè)量樣本順序編號(hào)為1#～6#，它們參加的測(cè)量項(xiàng)目、試驗(yàn)狀態(tài)和設(shè)置詳情如表1 所示。

圖1 單體電池樣本Fig.1 The battery cell samples for test

表1 測(cè)量樣本詳情Table 1 Specifications of the battery samples

圖2 負(fù)載功率曲線Fig.2 The power load curve

鋰離子電池、鎘鎳電池、氫鎳電池等為金屬外殼，可在真空絕熱罐中測(cè)量其比熱容、發(fā)熱量[4-6]；而鋰氟化碳電池是軟包裝結(jié)構(gòu)，在真空罐中會(huì)膨脹，因此本文研究采用ARC（accelerating rate calorimeter）測(cè)量電池?zé)崽匦?。試?yàn)中，溫度數(shù)據(jù)由安捷倫數(shù)據(jù)采集器測(cè)量；自動(dòng)溫度跟蹤由ARC 完成。比熱容測(cè)量時(shí)電池加熱器由直流穩(wěn)壓電源供電，發(fā)熱量測(cè)量時(shí)由電池給負(fù)載放電。

比熱容測(cè)量時(shí)將電池用泡沫板夾緊懸掛在圓柱形熱防護(hù)筒中央，放電發(fā)熱量測(cè)量時(shí)軟包電池平放在防護(hù)筒中。熱防護(hù)筒上下端蓋及側(cè)壁的外表面各粘貼1 路薄膜加熱器，用于跟蹤電池溫度對(duì)防護(hù)筒加熱，以保證防護(hù)筒與電池單體溫度始終相同，為電池單體提供絕熱環(huán)境。比熱容測(cè)量時(shí)，在電池單體外表面粘貼2 片加熱片，向電池單體提供已知的加熱功率。圖3 為比熱容測(cè)量時(shí)單體電池在ARC絕熱罐中放置示意圖。

圖3 比熱容測(cè)量時(shí)單體電池在ARC 絕熱罐中放置示意Fig.3 The battery cell in the ARC insulation tank during specific heat capacity test

1.3 試驗(yàn)工況

1) 比熱容測(cè)量

1#樣本軟包裝電池按照表1 要求進(jìn)行加熱片串聯(lián)，并在軟包裝電池上、下、左3 個(gè)位置分別粘貼1 只熱電偶，用于測(cè)量軟包電池的溫度。按照表2所示的2 種工況進(jìn)行比熱容測(cè)量。

表2 比熱容測(cè)量工況Table 2 Cases in the measurement of specific heat

2) 發(fā)熱量測(cè)量

2#～6#樣本軟包電池按照表1 要求進(jìn)行放電。按照表3 所示的2 種工況進(jìn)行發(fā)熱量測(cè)量。

表3 發(fā)熱量測(cè)量工況Table 3 Cases in the measurement of calorific value

2 熱特性測(cè)量結(jié)果分析

2.1 比熱容測(cè)量

對(duì)單體電池（1#樣本）比熱容測(cè)量時(shí)，將3 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度取平均值，溫差在0.2 ℃以內(nèi)時(shí)可以認(rèn)為電池的絕熱情況較好，而且溫升穩(wěn)定。按照表2 所示工況測(cè)量的溫度曲線如圖4 所示。

圖4 單體電池比熱容測(cè)量溫度曲線Fig.4 The temperature curve for specific heat capacity measurement of No.1 cell

將2 個(gè)工況的測(cè)量數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)，計(jì)算得出21 A·h 鋰氟化碳軟包電池的平均比熱容C=0.520 4 W·h/(kg·℃)。

同樣采用ARC 測(cè)量方法進(jìn)行鋁合金板和30 A·h鎘鎳電池的比熱容測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果與其他測(cè)量方法得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)誤差分析，如表4 所示?？梢钥吹剑肁RC 測(cè)量鋰氟化碳軟包電池比熱容的測(cè)量方法誤差小于±5%。

表4 不同產(chǎn)品比熱容測(cè)量結(jié)果及誤差分析Table 4 Comparison of specific heat capacity test results for different products

2.2 固定電流連續(xù)放電發(fā)熱量測(cè)量

圖5 為不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池4.2 A 放電絕熱溫升曲線，由圖可見，受放電時(shí)溫度升高、電液汽化，以及絕熱放電到后期電池膨脹、內(nèi)阻增加等因素影響，不同樣本電池（荷電態(tài)不同）放電過程溫升速率存在明顯差異。2#樣本起始放電溫度25 ℃，結(jié)束溫度76 ℃（累計(jì)放電59 min），絕熱溫升51 ℃。

圖5 不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池4.2 A 放電絕熱溫升曲線Fig.5 The temperature rise of Li/CFx battery under adiabatic discharge at 4.2 A with different SOCs

表5 為不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池4.2 A 放電絕熱溫升數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在0～10 min 放電時(shí)間段，100%SOC鋰氟化碳電池4.2 A 放電絕熱溫升最小，為8.87 ℃，與其他荷電態(tài)電池相比，溫升小3～4 ℃。

表5 不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池4.2 A 放電絕熱溫升Table 5 The temperature rise of Li/CFx battery under adiabatic discharge at 4.2 A with different SOCs

由圖6 可以看到，不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池溫升速率都在8 min 左右達(dá)到最大值，隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，溫升速率下降并趨于穩(wěn)定。其中2#樣本電池溫升速率從初始階段（0～10 min）到整個(gè)放電過程都很小。

圖6 不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池4.2 A 放電絕熱溫升速率曲線 Fig.6 The temperature rise rate of Li/CFx battery under adiabatic discharge in 4.2 A with different SOCs

由圖7 可以看到，不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池的放電發(fā)熱量在不同階段變化較大，其中0～10 min發(fā)熱量最大，隨著放電的進(jìn)行，發(fā)熱量減小。不同樣本電池之間發(fā)熱量不同，2#樣本發(fā)熱量最小，平均3.1 W 左右，5#樣本電池發(fā)熱量最大，平均4.5 W左右。

圖7 不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池4.2 A 放電發(fā)熱量曲線Fig.7 The calorific value of Li/CFx battery under adiabatic discharge at a rate of 4.2 A with different SOCs

表6 不同荷電態(tài)鋰氟化碳電池4.2 A 放電不同階段發(fā)熱量Table 6 The calorific values for different stages of Li/CFx battery at 4.2 A discharge state with different SOCs

2.3 按負(fù)載功率曲線放電發(fā)熱量測(cè)量

單體電池（6#樣本）在絕緣罐中按圖2 負(fù)載功率曲線進(jìn)行放電，測(cè)試電池溫升，根據(jù)式(1)計(jì)算發(fā)熱量。測(cè)試及計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10。

圖8 6#樣本電池按圖2 負(fù)載功率曲線放電溫升曲線Fig.8 The temperature rise of No.6 cell under adiabatic discharge at power load as shown in Fig.2

圖9 6#樣本電池按圖2 負(fù)載功率曲線放電溫升速率曲線Fig.9 The temperature rise rate of No.6 cell under adiabatic discharge at power load as shown in Fig.2

圖10 6#樣本電池按圖2 負(fù)載量曲線放電發(fā)熱功率曲線Fig.10 The calorific value of No.6 cell under adiabatic discharge at power load as shown in Fig.2

由圖10 可見，放電負(fù)載功率越高，電池發(fā)熱量越大，最大發(fā)熱量5 W 左右。

3 結(jié)束語

本文采用ARC 測(cè)量鋰氟化碳軟包電池的比熱容和發(fā)熱量，方法合理可行、快捷高效，與真空絕熱設(shè)備測(cè)試結(jié)果具有可比性，比熱容的誤差小于±5%，在工程設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。該方法可推廣到后續(xù)深空領(lǐng)域一次電池比熱容和發(fā)熱量的測(cè)量。