三种大容量长寿命低轨道用氢镍蓄电池研究

周亦龙，檀立新，任学颖，樊红敏，范梅梅

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

三种大容量长寿命低轨道用氢镍蓄电池研究

周亦龙，檀立新，任学颖，樊红敏，范梅梅

（中国电子科技集团公司第十八研究所，天津 300384）

通过长寿命正极等关键技术的攻关，研制出一个大容量浅充浅放型氢镍蓄电池（Ni-H2）系列，包括G60氢镍蓄电池、QNY1G100氢镍蓄电池、QNY1G150氢镍蓄电池3个产品。经鉴定测试，该系列电池比能量超过57Wh/kg、预计循环寿命可达到40000次（DOD 40%），适于空间站等长寿命低地球轨道条件下应用。

氢镍蓄电池；低轨道应用；大容量；长寿命

1 引言

氢镍蓄电池是20世纪70年代发展起来的第二代“太阳电池阵-蓄电池组”卫星电源系统中的储能装置，是比镉镍蓄电池更新的一种贮能体系。氢镍蓄电池是镉镍蓄电池技术和燃料电池技术相结合的产物［1］，采用的固体镍电极类似于镉镍蓄电池的镍电极，负极是燃料电池使用的铂催化气体电极，在该电极上氢气能够发生催化电化学反应，这是氢镍蓄电池的特点之一。由于负极活性物质是氢气，整个电池的极组设计在一个压力容器内。一个压力容器、一个电池极组、1.25 V电压，这种设计的氢镍蓄电池叫IPV（Independent pressure vessel）电池；一个压力容器、两个电池极组、2.5 V电压，这种设计的氢镍蓄电池叫CPV （Common pressure vessel）电池。氢镍蓄电池技术发展最初集中在独立容器的IPV电池设计上，电池直径包括88.9 mm（3.5英寸）、115 mm（4.5英寸）和139.7 mm（5.5英寸）等几种类型，电池壳体用Inconel 718（镍基合金）制造，内部电池极组分低地球轨道（LEO）和地球同步轨道（GEO）应用两种设计，电池设计容量范围覆盖50～300 Ah，质量比能量不超过75 Wh/kg。由于密封氢镍蓄电池具有寿命长等主要优点，自20世纪70年代起得到了系统的研究和发展［2］，主要应用于航天，特别是用作卫星和空间站的储能设备。它的高比能量特性使蓄电池组在满足功率和能量的使用要求下，总质量得到较大幅度的减轻；它的充放循环寿命长的特点能延长卫星等航天器的工作寿命，提升经济性。此外，它充电和过放电能力强的特点能简化电源系统控制部分的设计，提高电源分系统的可靠性。

氢镍蓄电池已经成为空间飞行器用最主要的化学贮能电源之一，高轨道长寿命大功率卫星几乎100%都使用氢镍蓄电池，低轨道飞行器中也有相当数量的飞行器采用高压氢镍蓄电池作为贮能电源。尽管目前受到高比能量锂离子蓄电池的冲击，氢镍蓄电池有被替代失去重要地位的可能［3-5］，但其成熟的飞行经验及高可靠和长寿命特性，使其不会很快退出应用舞台。同时，工程技术人员也在对其进行改进以使其具有更高比能量，如采用纤维镍作为镍电极的导电骨架［6］，优化单体电池和电池组的结构设计，开发300 Ah以上容量的电池［7］以满足高功率、长寿命卫星的工作需要。因此，随着航天工业的发展，未来高压氢镍蓄电池还会在空间飞行器上继续使用，并进一步扩大应用范围。本文中，通过长寿命正极等关键技术的攻关，研制出一个低轨道应用氢镍蓄电池（Ni-H2）系列，包括NY1G60氢镍蓄电池、QNY1G100氢镍蓄电池、QNY1G150氢镍蓄电池3个产品。经鉴定测试，该系列电池比能量超过57 Wh/kg、循环寿命达到40 000次（DOD 40%），适用于低地球轨道（LEO）等浅充浅放条件下应用。

2 产品设计与计算

2.1 低轨应用特点分析

低轨道应用电池必须能够进行几万次的充放电循环，使用电极需经得起上万次循环产生的应力［8］，与其他体系电池相比，氢镍蓄电池适合低轨应用的主要特点是：基板强度高，经得起滥用（过充、过放）；循环寿命长，容量衰减小；压力对应容量，充电控制方式多样等［9］。

容量衰降是氢镍蓄电池使用过程中常见的失效模式，不同设计的氢镍蓄电池在寿命期间的衰退速率是不一样的。部分国内外电池的寿命试验结果表明［9］：氢镍蓄电池在循环寿命试验的中、前期，电池容量衰降较小，寿命后期则呈现衰降增大的趋势。因此，在电池设计时须考虑充分的容量裕度。

2.2 长寿命低轨用氢镍电池关键技术的解决

通常用96 min轨道来表征低轨卫星应用的特点，该轨道距离地球555 km，卫星在该轨道绕地球飞行一圈的时间为96 min，每天飞行15圈，每一圈需要蓄电池供电的时间最长不超过36 min，因此要求蓄电池尽量在60 min内充满电，相对于高轨道应用电池，其放电倍率变化不大，但充电倍率却增加了好几倍。长寿命低轨用氢镍电池的关键技术是研究一种更强壮的镍电极。在长寿命电极技术攻关中，通过在基底上涂覆一层T210镍粉层增强基板烧结层与穿孔镍带之间的结合力。研制了一种高强度镍基板［10］，根据基板的表观、强度、孔率和孔径分布选定烧结工艺。然后采用电化学浸渍的方法制备成长寿命镍电极，电极的循环寿命性能有较大提高［11］。

2.3 典型产品的设计

典型产品的设计充分继承现有氢镍蓄电池的成熟技术，极组设计采用背靠背方式。IPV电池设计电压为1.25 V，电池由电池壳体、极组（1个单元）、密封极柱等零部件组成。CPV电池设计电压为2.5 V，电池内部有两个单元串联的极组。电池的设计状态见表1所示。

表1 电池的设计状态Table 1 Introoduction of cell design

研究针对低轨道应用的特点，重点对长寿命正极技术进行攻关。典型产品的容量选择在该系列电池可能的扩展范围内具有代表性，设计参数见表2，产品实物照片见图1。

表2 典型产品的设计参数Table 2 Design parameters of typical cells

图1 典型产品实物照片Fig.1 Photo of cells

3 试验结果与分析

3.1 温度特性试验

为满足在轨长寿命高可靠工作，需要了解该系列氢镍蓄电池在工作温度范围内不同温度点（-20℃～30℃）的容量特性和自放电特性。从经济性角度考虑，取有代表性的100 Ah电池分别在-20℃±3℃、-10℃±3℃、0℃±3℃、10℃±3℃、20℃±3℃、30℃±3℃环境下进行容量试验和72 h自放电试验。试验中，放电容量、3天自放电充电容量与环境温度的变化规律，充电终止电压、放电中间电压（C/2放电1 h时）随温度的变化规律见图2、3。图2可见，在环境温度0℃时的放电容量最大；充电终止电压与温度负相关，C/2放电1 h电压在20℃有最大值，充电终止压力在20℃则有最小值；图3可见，电池自放电率与温度呈非线性正相关，温度越高，自放电率上升幅度越大；同一温度下，自放电率与搁置时间呈非线性正相关，搁置时间越长，自放电率增幅越小。

图2 放电容量、3天自放电容量与温度关系Fig.2 Capacity and capacity after 3 days vs.temperature

图3 充电终止、放电中间电压与温度关系Fig.3 Cell voltage at the end of charge and mid of discharge vs.temperature

3.2 鉴定检验试验

按该系列电池的详细规范，对电池进行了鉴定检验试验，鉴定试验结果均满足规范要求，试验结果统计见表3。

3.3 过放电、过充电试验

鉴定检验时，对QNY1G100和QNY1G150进行了过充电试验（参照GJB2831A-2009［12］制定的试验条件：环境温度10℃±3℃下，以0.1 CA电流充电12～15 h后，再以0.1 CA电流过充电24 h）和过放电试验（试验条件：环境温度10℃±3℃下，以0.1 CA电流充电12 h，以0.6 CA电流放电至1.0 V后，继续以0.6 CA电流过放电1.2 h），电池过充电时电压曲线见图4，过放电时电压曲线见图5，电池过放电时的电压曲线变化平缓且无突变。

表3 电池系列鉴定检验结果统计表Table 3 Results of critical tests

图4 电池过充电电压曲线Fig.4 Cell voltage vs.state of overcharge

图5 电池过放电电压曲线Fig.5 Cell voltage vs.state of reversal

3.4 寿命试验结果

三种电池的寿命试验中，由于实际寿命试验周期较长，鉴定时只完成了部分循环次数，在规定的寿命循环后测试电池容量相对与试验前的初始容量均未见下降，满足详细规范的要求。

早期研制的100 Ah电池，采用的烧结基板未进行关键技术攻关，能够完成40%DOD充放电循环34 000次以上，试验电池电性能稳定。结合短期电极过应力比对试验结果（技术攻关前后），推断本研究在正极进行关键技术攻关后，研制电池的循环寿命将大幅度提高，可能达到4万次，满足低轨长寿命的要求。

4 结论

通过长寿命电极技术的攻关，研制了3种低轨用氢镍蓄电池，每种产品均具有较好的扩展性，可以根据型号的实际需求进行扩展，IPV电池设计容量可覆盖50～200 Ah，CPV电池的设计容量可覆盖20～100 Ah，可以根据工程型号的实际需求对电池容量进行灵活扩展、推广应用，特别适合用作长寿命低轨道（LEO）应用航天飞行器的储能电源，比如用作空间站的储能电源，因其有大容量、高可靠、长寿命的特点，具备较强的竞争实力。

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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，FAN Hongmin，FAN 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

周亦龙（1978-），男，硕士，高级工程师，研究方向为空间储能电源技术。E-mail：zizyl@eyou.com