空间锂离子蓄电池应用研究现状与展望

罗广求，罗 萍

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

空间锂离子蓄电池应用研究现状与展望

罗广求，罗 萍

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

综述了国内外空间航天器锂离子电池的发展和应用状态，分析了未来空间飞行器对储能电池的技术发展要求，并对空间锂离子蓄电池发展路径进行了技术展望。

锂离子电池；空间；应用现状；技术展望

锂离子电池具有比能量高、寿命长、自放电小、可串并联组合设计等一系列优点，已在3C电子产品、电动汽车、电动工具以及地面储能电站等方面得到广泛应用。上世纪90年代末期，随着锂离子电池技术成熟度的不断提升，国际上开始了锂离子电池在航天器上的应用研究，通过近20年的发展，目前，锂离子电池已成为继镉镍电池和氢镍电池后的第三代空间储能电源，并逐渐占据主导地位，显著提升了空间飞行器的能源技术水平。本文系统研究了国际国内空间锂离子电池的研究进展，并根据空间工程发展趋势，对未来空间锂离子电池技术发展需要和方向进行了分析和展望。

1 空间锂离子电池发展现状

1.1 国外空间锂离子电池发展现状

目前，锂离子电池作为航天器储能电池已进入比较成熟的应用阶段，截止2016年底，全球有近350个航天器采用了锂离子电池作为储能电源在轨飞行。国际上，从事空间用锂离子蓄电池研制开发的公司主要有法国的SAFT公司、美国的Lithion公司(Yardney技术公司)、日本的汤浅公司和三菱公司以及英国的AEA技术公司。空间锂离子电池主要有圆柱形、方形和椭圆形三种结构形式。

1.1.1 圆柱形锂离子电池

圆柱形锂离子电池外形结构稳定，电芯采取卷绕成型结构，圆柱面径向360°受力均匀，电池壳体长期保持稳定。法国SAFT公司是目前国际上空间锂离子蓄电池主要制造商，SAFT公司的空间锂离子电池以圆柱形结构为主，典型产品有圆柱形VES系列、VL系列，如图1所示。

图1 SAFT公司的空间锂离子电池产品系列

SAFT圆柱形VES系列能量型电池产品性能参数如表1所示，其中以VES180型号电池容量最大，初始容量50 Ah，比能量165 Wh/kg，满足低轨8年，高轨15年的寿命要求，型号应用广泛；VES16型锂离子电池兼具功率性能好、循环寿命长的特点，初始容量4.5 Ah，比能量150 Wh/kg，满足长期3Ca放电技术要求，20%放电深度(DOD)循环次数达到6万次，满足低轨卫星10年寿命需要；VL系列电池为高功率型锂离子电池，其中VL8P圆柱形锂离子电池为典型产品，2秒脉冲比功率达到20 kW/kg。

SAFT公司空间锂离子蓄电池组的设计采取模块化拼装形式，依据母线电压要求和功率需求进行串并联数量的设计，每个标准并联模块中单体电池与基座卡套通过胶粘固定，如图2所示。

SAFT空间锂离子蓄电池的型号应用覆盖高轨道、低轨道和中轨道，设计寿命覆盖低轨卫星10年，高轨卫星15年，截止2016年10月，SAFT公司研制的锂离子蓄电池在轨型号已超过182个[1]，是国际上锂离子蓄电池在空间上应用最多的制造商。

图2 SAFT公司空间锂离子蓄电池组产品P-S组合设计

英国AEA技术公司选用的锂离子电池也采用圆柱形结构，该公司通过对商用18650型电池的评估，采取S-P组合形式设计蓄电池组，如图3所示。

图3 AEA公司18650型锂离子电池电连接拓扑与蓄电池组设计

采用这种拓扑结构的优势包括：单体容量小，单只电池容量1.5～2.5 Ah。小容量18650型锂离子电池在进行组合时，可通过串联实现需要的工作电压，通过并联获得需要的蓄电池容量；电池具备fail-breaker功能，一只电池发生故障会发展为开路模式，可通过冗余设计来解决容量不足问题，无须By-pass旁路管理；无需均衡管理，可简化蓄电池管理模式；18650型电池来自规模生产线，制造成本相对较低；组合结构灵活，可采取嵌入式或者寄生式结构，提升卫星空间利用率。AEA技术公司的小型18650型锂离子电池在短期寿命小卫星领域占据了一定的市场份额，典型产品有PLEIADES卫星、PROBA-1卫星和Mars Express等。另外，18650型电池在一些皮纳卫星的集成电源设计上也得到了良好应用。

1.1.2 方形锂离子电池

方形电池相对圆柱形电池能量密度大，但电池外形结构稳定性差。国际上美国Lithion公司(Yardney技术公司)在方形锂离子蓄电池技术上的研究起步较早，电池种类较多，容量覆盖10～60 Ah，其10 Ah方形电池成功应用于火星探测器，其产品以及典型应用如图4所示。

图4 XSS-11卫星与火星登陆器用Yardney锂离子蓄电池(33 Ah)

美国Eaglepiche公司锂离子电池单体也采用方形结构，额定电池容量为52 Ah的锂离子电池采用钴酸锂/中间相炭微球材料体系，额定容量为70 Ah的锂离子电池采用氧化镍钴铝(NCA)/人造石墨(MFG)材料体系。电池产品主要用于高轨通信卫星，截止2016年底，应用型号约15个。

美国Quallion公司空间方形锂离子电池容量主要有15 Ah和30 Ah两种，活性材料体系为NCA/人造石墨(MAG)体系，蓄电池组采用框架拉杆式结构，蓄电池组应用型号约8～10个，以高轨道卫星为主。

1.1.3 椭圆形锂离子电池

椭圆形锂离子电池电芯为卷绕式椭圆结构，壳体兼具方形属性，有利于提升蓄电池组的装配体积比能量。空间椭圆柱形锂离子电池的研制者主要有日本汤浅公司和三菱公司，其中汤浅公司的锂离子电池单体容量范围覆盖10～190 Ah，代表产品为100 Ah锂离子电池，主要应用型号为国际空间站货运HTV和HAYABUSA。另外，其50 Ah和100 Ah椭圆形锂离子蓄电池在SERVIS-1卫星和ThaiCom-4卫星中得到应用。

日本三菱公司空间锂离子单体结构与GS汤浅类似，也采用椭圆形结构。为防止椭圆形电池形变对蓄电池组结构的破坏，三菱公司在蓄电池设计上采取筐体结构，单体电池之间采取了碳纤维挡板隔离设计方法，如图5所示。该设计不仅显著提升了材料强度，同时相对铝合金结构材料，质量降低12%，导热能力提升20%以上。

图5 日本三菱公司的卫星用锂离子蓄电池组结构设计示例

1.2 国内空间锂离子电池的发展现状

国内空间锂离子电池工程技术研究始于2000年前后，主要研制单位有中电18所和航天811所。2008年，锂离子电池在“神七”伴星和“希望一号”小卫星中开始了空间应用。截止2016年，我国锂离子电池已成功应用于包括高分卫星、试验卫星、嫦娥三号、导航卫星、通信卫星等近50个型号，型号覆盖低轨道、中轨道、高轨道和深空轨道，寿命满足低轨1～5年，高轨10～15年要求。

单体电池技术上，中电18所研制的空间锂离子电池以圆柱形电池为主，容量包括 10、15、20、25、30、45 和 50 Ah，产品比能量120～200 Wh/kg，满足低轨5～8年、高轨15年寿命要求，目前在轨型号超过25个，全部工作正常，其中“希望一号”小卫星锂离子蓄电池在轨工作满足6年，我国首颗设计寿命为5年的低轨应用卫星“高分一号卫星”80 Ah锂离子蓄电池在轨已接近4年，蓄电池工作稳定、电性能未见明显衰降。

811所空间锂离子电池主要以方形电池为主，在轨应用型号超过20个，“神七”伴星10 Ah蓄电池组是我国锂离子电池的首次应用，取得良好效果，其他型号应用以中低轨卫星型号为主，方形单体组成的电池组体积相对较小，有利于节省安装体积。

2 空间锂离子电池的发展趋势

2.1 空间应用需求趋势

空间储能电池始终以满足空间平台和载荷的用电需求为目标，故空间型号的轨道条件、用电工况是蓄电池设计的工程基础。从空间应用发展来看，锂离子电池必须具备以下技术能力：

(1)工作寿命长，随着电子元器件技术水平的不断进步，空间型号的电子产品性能不断提升、工作寿命越来越长，以卫星为代表的空间型号，其工作寿命取决于所携带燃料的多少和电源的保障能力，随着电推进技术的发展，航天器采用电推进技术替代传统的燃料推进，其寿命将不再受所携带燃料的制约，主要取决于电源的寿命能力，储能电池作为航天器电源的关键部件，其性能是电源分系统的核心所在，因此，储能电池工作寿命的显著增长是未来低轨卫星延长至12年以上，高轨卫星提升至18年以上的关键所在；

(2)轻量化、高比能化，航天器的发射成本高，达每千克数万元，轻量化设计是航天器产品一贯追求的目标，储能电池的比能量从镉镍电池30 Wh/kg发展到氢镍电池约60 Wh/kg，再发展到锂离子蓄电池的100～150 Wh/kg，电池的换代升级对空间型号的轻量化设计做出了巨大贡献，目前，新一代空间型号要求储能电池能量密度越来越高，SAFT公司瞄准2020年推出200 Wh/kg级高比能锂离子蓄电池[2]，对应单体电池比能量达到250 Wh/kg以上；

(3)大功率放电要求，随着空间型号有效载荷的技术发展，以合成孔径雷达(SAR)、激光或者微波设备为代表的大功率载荷对储能电池的供电能力提出了新要求，蓄电池需具备提供短期5C～10C或者瞬时100C以上的放电能力，这对功率型锂离子电池提出了新的挑战，因此，空间高功率和超高功率锂离子电池是空间锂离子电池的重要发展方向，SAFT公司VL16功率型锂离子电池具备3C长寿命放电能力，VL34P高功率锂离子电池2秒脉冲放电已经实现20 kW/kg，达到100C以上，正在瞄准150C以上放电目标开展研究，这是工程应用的必然需要；

(4)一体化集成设计，以千克级或者数十千克微小卫星为代表的空间型号，卫星体积小，整星功率在瓦级至百瓦级以内，同时由于整体集成设计需要，蓄电池需要与控制电路集成设计，要求蓄电池具备异型结构、并可以灵活安装，基于此类要求，发展聚合物锂离子电池或采用18650型电池进行集成设计是重要方向。

2.2 空间锂离子蓄电池技术的发展趋势

从电池体系看，空间锂离子电池与普通商品锂离子电池并无本质区别，商品锂离子电池，特别是动力电池的规模生产对空间锂离子电池的研制具有很高的参考价值，从目前的技术发展看，2020年前，锂离子电池的技术发展主要包括以下几个方面：

(1)锂离子电池材料体系优化升级，锂离子电池技术水平的提高主要依赖于电活性材料、功能电解液、高性能导电剂等核心材料的性能提升，电池比能量的提升主要有赖于高容量正极材料、负极材料的开发和应用，目前看，5 V高电压材料、富锂多元材料、高镍三元材料是正极材料的主要发展方向，负极方面在现有石墨类碳材料基础上，开发硅基材料、合金材料是重点方向，电解液材料方面，高电压体系下宽电化学窗口的电解液体系是重要方向，功能添加剂是提升电解液性能的关键手段，通过新型电池体系的设计，2020年前后，空间全密封锂离子电池比能量有望达到250 Wh/kg以上，寿命能力满足低轨10年、高轨18年应用需要，同时，随着石墨烯改性活性材料的应用，功率型锂离子电池性能将有显著提升，可为空间大功率载荷和多工况用电模式提供选择；

(2)生产工艺新技术趋势，锂离子电池的性能水平除了决定于电池材料，同时也受生产工艺制约，工艺技术和工艺管理是保障电池质量和可靠性的关键环节，同时也是电池安全性和可靠性的关键保障环节，随着锂离子电池能量密度不断提升，充放电倍率不断增大，电池的制造工艺和安全防护要求越来越高，电极制造技术、电极表面功能涂层技术、隔膜涂层工艺、补锂工艺技术等将取得长足发展，对推动高性能锂离子电池起到重要支撑作用；

(3)新一代锂电池技术展望，空间储能电池从镉镍电池到氢镍电池，再到现在的锂离子电池，蓄电池经历换代后能量密度均有成倍的增长，寿命能力越来越长，目前，第四代空间储能电池的发展尚处于探索阶段，瞄准目标为400 Wh/kg以上，主要探索方向包括全固态锂电池和锂硫电池，相比于传统锂离子电池，全固态聚合物电池具有比能量高、安全性好、寿命长、工作温度范围宽、耐高电压等突出优点，在超微超薄电池领域也有相当大的潜力，但全固态锂电池在产品形态、安全性、使用条件等方面与目前的锂离子电池有较大差别，固态电解质的应用、温度适应性等方面还存在很多技术难点，需要攻关的技术还很多，锂硫电池理论比能量达到800 Wh/kg，但锂硫电池存在锂负极稳定性差、容量循环衰降快、寿命短等方面的问题，需要关键技术的突破，这是下阶段预先研究的重点。

3 结语

近年来，锂离子电池已成为航天器主流储能电池，满足了航天器减重、延寿等技术需求，推动了空间储能技术的升级换代，得到广泛应用。随着新材料发展、工艺技术进步，锂离子电池技术水平具有较大的发展潜力，在能量密度、功率密度等方面可进一步提高，可为空间工程提供高效有力的电能保障。

[1]BORTHOMIEU D Y.SAFT group 2015&Li-Ion vs NiH[R].France:SAFT,2015:21-23.

[2]BIENSAN D P.SAFT Li-ion space batteries roadmap[EB/OB].2007-11-27.http://www.docin.com/p-306347697.html.

Current application status and devlopment prospect of Li-ion batteries for space

LUO Guang-qiu,LUO Ping
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The latest progress of Li-ion batteries for spacecrafts all over the world was reviewed. The technical develop requirements of storage battery for future spacecrafts were analyzed. And the technology development routes of Li-ion battery for space was prospected.

Li-ion battery;space;application status;technology prospect

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1501-04

2017-03-10

罗广求(1977—)，男，湖南省人，硕士，高级工程师，主要研究方向为空间锂离子蓄电池技术。