米 娟，謝 欣，喬學榮，王九洲，邢鑫磊

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.空軍裝備部駐天津地區(qū)第三軍事代表室，天津 300000)

我國首次發(fā)射的“天問一號”火星探測器在國際上首次實現(xiàn)了繞火、著陸和巡視三項任務[1]?！疤靻栆惶枴被鹦翘綔y器由環(huán)繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器的進入、減速和著陸(entry，descent and landing,EDL)過程是任務實施過程的關鍵技術[2]，火星探測史上著陸任務成功率只有50%左右。著陸巡視器由進入艙和火星車兩部分組成，兩器分離至火星車解鎖期間由鋰氟化碳電池組負責供電。

鋰氟化碳電池(Li/CFx)理論比能量高達2 180 Wh/kg[3]，軟包裝電池低倍率放電實際比能量已達到700 Wh/kg 以上，是鋰原電池中比能量最高的，且具有安全性好、貯存壽命長的優(yōu)點。在深空探測領域，著陸、返回等一次性任務中使用高比能量、長貯存壽命的鋰氟化碳電池，能夠有效減輕供配電分系統(tǒng)的重量。因而，鋰氟化碳電池成為深空探測領域一次電源的優(yōu)選產(chǎn)品。

目前，我國鋰氟化碳電池產(chǎn)品在科學實驗衛(wèi)星、著陸器、返回艙等航天器上的應用越來越多。在深空探測任務中，航天器飛行過程會經(jīng)歷各種空間環(huán)境，如電磁輻射環(huán)境、太陽風等離子體環(huán)境等行星際空間環(huán)境，而在近火星空間又將面臨火星電離層、中性大氣、表面輻射環(huán)境[4]。著陸火星表面后會經(jīng)受極端溫度環(huán)境，白天溫度達20 ℃，夜晚溫度可下降至-150 ℃。鋰氟化碳電池安裝在艙內(nèi)，在火星探測過程中經(jīng)歷不同使用工況、不同使用狀態(tài)和不同空間環(huán)境。空間環(huán)境主要包括運載發(fā)射段力學環(huán)境，地火轉(zhuǎn)移和環(huán)火飛行至火星捕獲段的低氣壓、帶電粒子輻射和熱真空環(huán)境，氣動減速及著陸下降段高低溫環(huán)境下的放電，著陸火星后火星表面極低溫環(huán)境。這就要求鋰氟化碳電池具備良好的空間環(huán)境適應性。

本文依托我國首次火星探測項目，依據(jù)相關實驗標準和要求[5-6]，針對鋰氟化碳電池在火星探測過程及落火后所面臨的空間環(huán)境，設計并開展了相關評價實驗，用以驗證電池組在火星探測任務中的空間環(huán)境適應性。實驗包括輻照實驗、空間環(huán)境力學實驗、極低溫度貯存實驗等。

1 空間環(huán)境適應性

1.1 輻照實驗

通過考察鋰氟化碳電池輻照實驗前后電池容量、能量變化率，驗證輻照環(huán)境對電池性能的影響。使用3 只電池樣本。1 只電池作為對比樣，命名為FZ-00，對比樣電池不進行輻照實驗，以0.1C放電。另外兩只電池分別進行10、20 k rad(Si)的輻照實驗，命名為FZ-10、FZ-20，輻照后，進行0.1C放電。輻照源為Co60γ射線，輻照射線入射方向為電池極性方向，見圖1 箭頭指示所示。

圖1 鋰氟化碳電池輻照實驗照片

鋰氟化碳電池輻照實驗前后電池電壓、內(nèi)阻及放電結(jié)果見表1和圖2。

圖2 輻照實驗前后電池性能

表1 輻照實驗測試結(jié)果

由表1 和圖2 可見，輻照實驗前后，鋰氟化碳電池電壓、內(nèi)阻無明顯變化，輻照后0.1C放電，放電曲線電壓平臺下降不明顯，與對照電池相比，容量和放電能量衰減量小于2%。

經(jīng)分析，大劑量γ射線輻照后電池性能衰降主要來自于界面副反應引起的界面膜變化。

1.2 空間環(huán)境力學實驗

伴隨航天器發(fā)射、減速制動、著陸等過程，電池組都會經(jīng)歷不同力學環(huán)境。電池組環(huán)境力學實驗用于檢查發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計缺陷，驗證其力學環(huán)境適應性。力學實驗條件見表2 和表3。

表2 加速度實驗條件

表3 沖擊實驗條件

力學環(huán)境實驗前后測試電池組電壓和內(nèi)阻，實驗過程中采集電池組電壓和放電電流，并觀察電池組電壓和放電電流有無跳變情況，力學實驗結(jié)束后檢查電池組結(jié)構(gòu)有無變形或損傷。

鋰氟化碳電池組空間環(huán)境加速度實驗過程放電電壓、電流曲線見圖3 所示，加速度實驗前后電池放電電壓、內(nèi)阻值及過程放電容量見表4。

表4 鋰氟化碳電池加速度實驗前后電壓、內(nèi)阻及過程放電容量值

圖3 鋰氟化碳電池加速度實驗過程放電曲線

電池組經(jīng)受加速度實驗后再分別進行三個軸向的1 800 g 沖擊實驗，在沖擊瞬間進行放電，實驗過程采集電池電壓和放電電流。

鋰氟化碳電池1 800 g 沖擊實驗過程放電曲線見圖4，沖擊實驗前后電池電壓、內(nèi)阻和過程放電容量值見表5 所示。

圖4 鋰氟化碳電池沖擊實驗過程放電曲線

表5 鋰氟化碳電池沖擊試驗前后電壓、內(nèi)阻和過程放電容量值

電池組在加速度、沖擊實驗過程放電電流曲線和電壓曲線平滑無跳變，實驗前后電壓和內(nèi)阻正常，電池組結(jié)構(gòu)無變形、斷裂等結(jié)構(gòu)損傷，說明電池組具有良好的耐受力學環(huán)境的能力。

1.3 極低溫度貯存實驗

著陸巡視器著陸火星過程中由鋰氟化碳電池組供電，著陸火星后，在火星車駛離著陸器前的時間段鋰氟化碳電池組會經(jīng)歷火晝-火夜溫度交變，因而需要進行鋰氟化碳電池極端低溫-常溫的溫度交變實驗。

使用液氮實驗罐進行極低溫環(huán)境實驗，實驗流程如下。

第一步，將滿荷電態(tài)的鋰氟化碳電池置于充滿液氮的環(huán)境中2.5 h，將電池取出，室溫下恢復1 h。

第二步，將完成第一步操作的電池置于液氮中，當電池電壓達到0 V 時取出，室溫下恢復1 h。

第三步，將完成第二步室溫恢復1 h 后的電池，置于液氮中，當電池電壓達到0 V 時取出，室溫下恢復1 h。重復此步操作，共3 次。

第四步，將完成第三步操作的電池，重新置于液氮中，放置12.5 h。

第五步，將完成第四步操作的電池從液氮中取出，室溫下恢復12 h。

第六步，將完成第五步操作的電池再次置于液氮中，直至電池電壓降至0 V 取出，置于常溫環(huán)境，待電池溫度與室溫一致后，以0.1C放電。

所使用的實驗電池為鋰氟化碳單元電池，實驗過程中監(jiān)測電池電壓和溫度，實驗結(jié)束后待電池恢復常溫，測試0.1C放電性能。實驗結(jié)果見圖5。

圖5 鋰氟化碳電池極低溫度實驗

實驗過程中，將滿荷電態(tài)電池放于液氮環(huán)境中后，隨著溫度降低，電池電壓逐漸下降，見圖5(b)。在1 362 s 時，電池電壓下降至2.0 V，此時電池溫度-136.84 ℃，1 440 s 時，電池電壓下降至1.0 V，此時電池溫度為-139.65 ℃，鋰氟化碳電池在液氮中放置約1 500 s，電池電壓急速下降直至為0 V，當把電池從液氮環(huán)境中取出放于室溫條件下，電池重新恢復至正常開路電壓。

低溫下，電解液離子電導率下降明顯，電池歐姆阻抗增加。低溫下，鋰鹽在電解液中電離出正、負離子的能力大大減弱，正、負離子在電解液中自由運動的能力減弱，擴散阻抗增加。電池低溫下起始放電電壓平臺低。當溫度降低至一定程度，電解液凝固后，電解質(zhì)完全不能電離出離子，即使能電離出少量離子，此時在電解液中也無法自由定向運動，這意味著電池喪失了對外供電能力。

實驗中，鋰氟化碳電池在液氮環(huán)境中放置約1 500 s 時，電池電壓降至0 V。把電池從液氮中取出，置于室溫環(huán)境，電池溫度慢慢回升，鋰氟化碳電池開路電壓慢慢升高。

將恢復至常溫的電池，以0.1C放電，經(jīng)過極端低溫后的氟化碳電池放電容量為107.42 Ah，放電能量為286.58 Wh。未經(jīng)液氮冷凍電池放電容量為110.63 Ah，放電能量為293.59 Wh。經(jīng)過極端低溫電池與未經(jīng)極端低溫電池相比，前者容量損失2.99 %，這說明極端低溫電池容量未發(fā)生明顯衰減。鋰氟化碳電池極低溫度實驗數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 鋰氟化碳電池極低溫度實驗

2 結(jié)論

本文通過輻照實驗、空間環(huán)境力學實驗、極低溫度貯存實驗等多種手段測試了鋰氟化碳電池的空間環(huán)境適應性，獲得了相關數(shù)據(jù)。此研究為后續(xù)鋰氟化碳電池在深空探測領域的應用積累了數(shù)據(jù)。