丁羿茗

摘要：相較于傳統(tǒng)的蓄電池，航空鋰電池具有高密度能量、高工作電壓、低自放電率、高充放電效率、寬工作溫度范圍、長循環(huán)壽命、以及環(huán)境污染程度小等特點，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、新能源汽車領(lǐng)域以及民航、無人機(jī)、空間探測器等航空航天領(lǐng)域中。而航空鋰電池的地面維護(hù)方式與傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)完全不同。因此，本文就航空鋰電池的工作原理進(jìn)程闡述分析，研究其在地面的充電和放電過程，以及測試容量的方式，為后續(xù)的航空鋰電池維護(hù)人員提供參考意見。

關(guān)鍵詞：航空鋰電池;充電;放電;容量測試;安全運行

經(jīng)過多年的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品推廣，鋰離子電池的應(yīng)用范圍已經(jīng)非常廣泛。航空鋰電池具有高能量、輕質(zhì)量、小體積的優(yōu)勢，但是其安全性較差。所以為了保障鋰電池在航空領(lǐng)域的安全運行，就必須確定鋰電池的健康狀態(tài)和剩余使用壽命，通過對鋰電池的結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行分析，研究其充放電原理，以及確定其容量，就方便鋰電池健康狀態(tài)的分析和確定剩余使用壽命。

1. 鋰電池概述

十九世紀(jì)六十年代就開始了鋰離子電池的研發(fā)進(jìn)程。早期鋰離子電池的負(fù)極材料是單質(zhì)鋰，但是單質(zhì)鋰過于活潑，遇水就會發(fā)生劇烈反應(yīng)生成LiOH，導(dǎo)致爆炸和燃燒現(xiàn)象發(fā)生，所以鋰電池的電解質(zhì)容易一般是非水電解液。目前常用的鋰電池實際上是鋰離子（Li-ion）電池，正負(fù)電極材料是由不同的鋰離子同化合物組成，沒有單質(zhì)鋰存在，較好地解決了鋰電池的安全問題[1]，如南方航空的波音787飛機(jī)就采用了鋰電池。鋰電池本身自帶監(jiān)控保護(hù)電路，保障電池的運行安全，所以其地面維護(hù)方式同傳統(tǒng)的蓄電池維護(hù)方式不同。

鋰電池同機(jī)載蓄電池相比具有非常優(yōu)越的特點。如鋰電池具有高比能量，其高儲存能力密度高達(dá)460～600Wh/kg，比鎳鎘電瓶高2倍，比鉛酸電池高4倍;鋰電池采用密封電池，維護(hù)成本和工作量小;鋰電池的單格額定電壓高，為3.6V，有利于組成電池電源組;鋰電池的自放電率不及堿性電瓶的一半;鋰電池的重量輕、體積小，方便攜帶;鋰電池沒有記憶效應(yīng)，可隨充不用深度放電[2];鋰電池不含有有毒元素如汞鎘鉛等。

目前鋰電池仍具有明顯的缺點，如安全性相對較差。美國波音公司第一個使用鋰電池搭載在民航中，然在2013年由于鋰電池短路和熱失控原因?qū)е聝杉艽钶d鋰電池的客機(jī)前后發(fā)生安全事故，使得鋰電池在航空的應(yīng)用停滯不前。后學(xué)對鋰電池技術(shù)進(jìn)行調(diào)養(yǎng)改進(jìn)，優(yōu)化了鋰電池的使用技術(shù)，使其符合航空使用標(biāo)準(zhǔn)。鋰電池在大電流放電時，其性能不如鎘鎳電池;鋰電池需要通過充放電、過溫來保護(hù)電路，防止造成正負(fù)電極的損壞[3];另外由于鋰電池的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單質(zhì)鋰屬于稀有金屬，導(dǎo)致鋰電池的生產(chǎn)成本較高，不利于大規(guī)模地生產(chǎn)和利用。

2. 鋰電池的基本結(jié)構(gòu)及其工作原理

2.1 鋰電池的基本結(jié)構(gòu)

目前所用鋰電池的基本結(jié)構(gòu)同鎳鎘電池一致，由正負(fù)極、能夠傳導(dǎo)鋰離子的電解質(zhì)、隔離正負(fù)極的隔膜組成。但是鋰離子電池需要過充放電和過溫措施保護(hù)電路，防止正負(fù)極的損壞。

鋰電池正極：鋰離子化合物，如鋰鈷氧化物L(fēng)iCoO2、鋰鎳氧化物L(fēng)iNiO2、鋰錳氧化物L(fēng)iMnO2等。鋰電池正極材料對于鋰電池的特性有不同的影響作用，如表1所示。

從表1中可以看出，鋰鈷氧化物在功率密度方面比其他兩者強，但是電壓、溫度穩(wěn)定性方面就鋰錳氧化物有優(yōu)勢。

鋰電池負(fù)極：碳素材料，分石墨、非石墨兩類。航空鋰電池常用的負(fù)極材料為石墨，因其具有良好的片層結(jié)構(gòu)，方便鋰離子的填充。碳素材料的低理論容量和安全性讓專家設(shè)計研發(fā)更高循環(huán)穩(wěn)定的負(fù)極材料，如過渡金屬氧化物TMO的應(yīng)用、硅負(fù)極材料的應(yīng)用[4]。

鋰電池電解液：常用的是碳酸酯有機(jī)溶劑、LiPF6鋰鹽、固體電解液等。而航空鋰電池常用電解液是碳酸鹽。鋰電池電解液需要滿足的條件是：具有比較寬泛的工作電位;穩(wěn)定性要高，充放電過程中不會發(fā)生副反應(yīng);較高的導(dǎo)電率。鋰電池電解液中的添加劑需要有利于形成穩(wěn)定的SEI膜，防止鋰電池電解液和電極材料發(fā)生反應(yīng)，提高鋰電池的循環(huán)穩(wěn)定性能。經(jīng)過科學(xué)家多年的研發(fā)發(fā)現(xiàn)，磺基電解液、離子液體具有更好的應(yīng)用效果。

鋰電池隔膜：一般采用聚丙烯、聚乙烯單層微孔膜或者是兩者相互復(fù)合而成的多層膜。隔膜性能影響著鋰電池的基本結(jié)構(gòu)，直接決定鋰電池的容量、循環(huán)壽命以及安全性等。鋰電池隔膜具有絕緣性，保障鋰電池正負(fù)極的物理隔離，防止短路;鋰電池隔膜均勻的孔徑和孔隙率保障鋰離子的高通過率;鋰電池隔膜局域優(yōu)秀的理化性能，確保潤濕性和潤濕速度有利于提高電池充放電性能、容量密度。

鋰電池的保護(hù)電路措施：鋰電池需要通過充放電來保護(hù)電路，過度放電將放出負(fù)極的碳元素，導(dǎo)致層狀結(jié)構(gòu)崩潰;而過度充電會將帶入過度的鋰離子到石墨結(jié)構(gòu)中[5]，阻塞部分鋰離子的釋放。

2.2 鋰電池的工作原理

鋰電池在充電過程中，電極兩側(cè)的電勢使得正極的化合物釋放出鋰離子，流向負(fù)極嵌入其中呈現(xiàn)片層排列。放電過程則是從負(fù)極的片層結(jié)構(gòu)中析出鋰離子，流向正極重新結(jié)合成化合物。鋰電池的充放電過程就是鋰離子在正負(fù)極之間往復(fù)嵌入和脫嵌的過程，產(chǎn)生電流，實現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換[6]。

以正極材料為鋰鈷氧化物L(fēng)iCoO2為例，展示鋰電池的放電化學(xué)方程式為：

2.3 航空鋰電池的組成

航空鋰電池的額定電壓在28.8V，電池容量為65Ah，它是由單體鋰電池8個、內(nèi)置接觸器1個、電池監(jiān)控組件4組構(gòu)成[7]。電池監(jiān)控組件BMU隨時監(jiān)控著鋰電池的電壓值、充放電的電流值、電池溫度等狀態(tài)，當(dāng)BMU檢測到鋰電池出現(xiàn)故障時就會立即發(fā)出故障信號，方便維護(hù)人員進(jìn)行維修，保障航空鋰電池的安全運行。

3.航空鋰電池的充放電方式和容量測試方式

本文以南方航空波音787安裝的鋰電池為例，來闡述航空鋰電池充放電和容量檢測方法。鋰電池的充放電操作必須使用專門的設(shè)備（如圖1），電池本身的監(jiān)控組件也必須同充放電設(shè)備連接，保障鋰電池充放電過程中的安全。

3.1 鋰電池充放電方法

鋰電池的充電方法：采用恒流恒壓的充電方法，如用50A的恒流、32.2VDC的恒壓進(jìn)行充電;也可以采用恒壓限流充電方法，如32.2VDC的恒壓，50A限流進(jìn)行充電[8]。一直維持到充電的電流到5A時停止。

鋰電池的放電方法：利用恒電阻放電方式，電流保持50A，放電至電池電壓為22V停止。而航空鋰電池的額定電壓為28.8V，可根據(jù)放電電阻計算公式得出放電的電阻為0.576Ω。

放電電阻計算公式：，

其中R是放電電阻，單位Ω;t是放電時間，單位s;C是每相電容量，單位F;Un是額定電壓，單位V;UR是剩余的電壓，單位V;K是電阻和電容器單元的來接方式?jīng)Q定的系數(shù)，有1、3、。

3.2 鋰電池容量測試方法

電池容量是鋰電池性能指數(shù)的重要指標(biāo)之一，其定義是在額定的電流環(huán)境下，電池放電至制定電壓時所放出的電流乘以放電時間。鋰電池容量表示的是電池內(nèi)部的電荷量多少，表示電池能夠向外界提供能量的多少。目前鋰電池的電池容量常用定義有：

理論容量是指鋰電池內(nèi)部全部活性物質(zhì)參與反應(yīng)所能夠得到的總?cè)萘恐担请姵氐淖畲笙拗迫萘?。?biāo)稱容量是指電池滿電狀態(tài)下，在室溫條件中以0.2C放電至指定電壓時所能夠放出的最大容量值。實際容量是指在指定的放電倍率放出的最大容量，也就是放電電流乘以放電時間。剩余容量是指鋰電池使用一段時間后，在室溫條件中以0.2C放電至指定電壓時所能夠放出的最大容量值。

鋰電池的容量測試方式，需要先將電池充滿電，在進(jìn)行放電操作來計算容量。航空鋰電池的放電電阻是恒定的，電流是不穩(wěn)定的，那么在計算電池容量的時候就可以采用安時積分或者秒脈沖對進(jìn)行累計[9]。

鋰電池容量的計算方式如下：滿電的電池開始放電的電流值為A，當(dāng)放電至電壓為22V時停止，其電流為A。放電時間為T，則電池容量的計算公式為：，容量的單位為Ah。根據(jù)之前所得的放電電阻R=0.576Ω，則C=56T（Ah）。

對于鋰電池進(jìn)行容量測試的時間間隔是有要求的。當(dāng)鋰電池的電池容量在70～80Ah時，需要兩年做一次容量檢測;當(dāng)電池容量在60～69Ah時，需要一年半做一次容量檢測;當(dāng)電池容量在57～59Ah時，需要一年做一次容量檢測;當(dāng)電池容量在54～55Ah時，需要半年做一次容量檢測;當(dāng)電池容量在50Ah以下時，電池做報廢處理[10]。航空鋰電池的儲存是必須是帶電狀態(tài)下進(jìn)行，保持電壓在29.6V～30V范圍之間。低于該電壓范圍進(jìn)行充電操作，高于電壓值范圍就利用恒電阻放電至合適范圍。

3.3航空鋰電池的壽命

鋰電池的化學(xué)反應(yīng)是可逆的，也就是鋰電池可以循環(huán)使用的原因。鋰電池通過電化學(xué)反應(yīng)既可以積累電能，也可以釋放電能，但是鋰電池在使用過程中，其內(nèi)部的化學(xué)成分并不是一直保持不變的。鋰電池的電阻隨著使用次數(shù)而增加，導(dǎo)致實際容量降低。當(dāng)鋰電池的實際容量達(dá)到最低標(biāo)準(zhǔn)時，認(rèn)定鋰電池的壽命終止。影響鋰電池的壽命因素常見的有：電池的設(shè)計、制作技術(shù)、工作溫度、負(fù)荷強度等，在航空鋰電池地面維護(hù)工作就可以從電池的充電制度、SOC使用區(qū)域和電池的一致性方面進(jìn)行改進(jìn)，延長鋰電池的循環(huán)壽命周期。深度放電會降低電池循環(huán)壽命周期，減少放電時間、避免完全放電和頻繁充電有助于延長電池使用壽命。不能在極限條件下使用航空鋰電池，保持鋰電池表面的清潔、干燥、完整，避免快速充放電操作。

4. 結(jié)束語

綜上所述，鋰電池具有的較高比能量、優(yōu)秀的循環(huán)壽命、較低的自放電率、無記憶效應(yīng)和綠色環(huán)保性能，使其在航空領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。鋰電池的應(yīng)有不僅僅在航空領(lǐng)域有很強的應(yīng)用推廣，還應(yīng)用在無人機(jī)、航天領(lǐng)域上得到應(yīng)用。如在伊拉克戰(zhàn)爭亮相的“龍眼”無人機(jī)就是很好的應(yīng)用，我國的嫦娥五號成功發(fā)射并攜帶月球樣品返回地球就是歸功于鋰離子電池的高比能量、長循環(huán)壽命周期、寬泛的工作溫度范圍。而對于未來方便鋰電池滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用，還需要提升鋰電池的能力密度、便捷性、安全性和環(huán)保性，特別是航空航天領(lǐng)域?qū)τ阡囯姵氐陌踩阅芎湍褪苄蕴岢龈叩囊蟆Ｎ磥黻P(guān)于鋰電池的研發(fā)將越來越多，更多的電極材料、電池結(jié)構(gòu)、電解液被研發(fā)，助力鋰電池行業(yè)健康發(fā)展。

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