小型SAR 卫星用双高特性锂离子电池技术

2022-07-15朱文豪梅悦旎顾洪汇

上海航天 2022年3期

刘通，朱文豪，梅悦旎，陈健，张静，顾洪汇，高蕾

（1.上海空间电源研究所，上海 200245；2.空间电源技术国家重点实验室，上海 200245）

0 前言

合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR）成像卫星具有提供全天时、全天候环境下的高空间分辨率全球观测能力。因其独特的优势，SAR 卫星被广泛应用于军事领域和民用领域（如测绘、洪涝、地质、农林、海洋、城市规划等），各国政府和商业机构对SAR 卫星需求日益增多。随着星载SAR 技术的发展，分辨率等指标逐渐提高，系统功能逐渐增强，卫星质量也在增加，其研制和发射成本也随之增加。在低成本、高效费比要求和星载SAR 载荷技术跨越式发展的双重推动下，轻小型星载SAR 将迎来加速发展的阶段。SAR 卫星对能源负载的要求是快速响应，要求大功率、大电流脉冲式供电，轻小型星载SAR 对储能电池组的要求更为严苛。

锂离子电池因其工作电压高、重量轻、比能量高、寿命长和自放电率小等优点，替代传统镍氢电池成为目前SAR 卫星的储能电源。现阶段，星载SAR 电源系统的锂离子蓄电池单体比能量较低（140 Wh·kg），且倍率性能最高只有5 C，通过提高电池的比能量和比功率，可以实现小型SAR 卫星电源的轻量化要求。面对星载SAR 高分辨率、多极化、多模式和星座化的趋势，和卫星轻量化的需求，迫切需要开发高比能量且具备较高放电倍率的双高特性锂离子电池。

通过研究不同正负极活性材料电性能，活性物质载量、电解液用量、电池尺寸对于单体电池容量、功率等性能的影响，开发了兼具高比能量和高功率的空间用锂离子电池，其比能量达到180 Wh·kg，具备＞10 C 高功率放电的特性，并对电池的热安全性进行了实验。

1 实验

1.1 极片制备

在干燥气氛下（露点≤-40 ℃），将聚偏氟乙烯（PVDF）溶于N-甲基吡咯烷酮（N-Methylpyrrolidone，NMP）中，再加入导电炭黑（SP）、导电石墨（KS6）及气相沉积碳纤维（Vapor Grown Carbon Fiber，VGCF），最后加入正极活性物质高镍的镍钴铝酸锂材料（LiNiCoAlO，NCA），制得正极浆料。将浆料均匀涂覆在铝箔集流体上，经真空烘烤、辊压冲切成正极片。

在干燥气氛下（露点≤-20 ℃），按照比例加入去离子水、羧甲基纤维素（Carboxymethyl Cellulose，CMC）、导电炭黑（SP）、负极活性物质石墨和丁苯橡胶（Styrene Butadiene Rubber，SBR），搅拌形成负极浆料。将浆料均匀涂覆在铜箔集流体上，经真空烘烤、辊压冲切成负极片。

1.2 电池制备

扣式电池：涂覆后的单面极片冲切成14 mm的圆片，然后在氩气保护下与锂片、陶瓷隔膜、电解液组装为R2016 型扣式电池。

软包装电池：在干燥气氛下（露点≤-40 ℃），将正负极极片隔膜通过“Z”字型叠片的方式，交叠成为电芯，铝塑膜封装、注液、封口制作成额定容量2 Ah 的软包装电池。

全密封铝壳电池：在干燥气氛下（露点≤-40 ℃），将正负极极片隔膜通过“Z”字型叠片的方式，交叠成为电芯，后依次进行电池盖超声波焊接、入壳、激光焊封口、电解液注液、二次封口，制作成额定容量20 Ah 的全密封铝壳电池。

1.3 电性能测试

扣电测试：室温下，在2.75～4.30 V 区间内，使用LANHE CT2001A 电池测试系统对扣电进行容量测试。

电池单体测试：室温下，充放电电压区间2.75～4.20 V。使用LANHE CT2001A 电池测试系统，进行1 C 充放电测试。使用Arbin Instrument BT 2000充放电测试系统，进行1 C 充电，1～15 C 放电测试。

1.4 表征测试

电镜分析：用S-4800 型扫描电子显微镜（日本产）对NCA 材料、三种石墨负极分别做微观形貌分析。

粒度分析：用梅特勒的FBRM 粒度分析仪，对NCA、3 种石墨负极的粒度进行分析。

2 分析与设计

为了兼顾锂离子电池高比能和高功率，从正极材料、石墨负极、活性物质载量、电解液用量、单体尺寸及单体研制等方面进行了设计和结果分析。

2.1 正极材料功率性能研究

NCA和镍钴锰三元材料（LiNiCoMnO，NCM）相较于传统的钴酸锂（LiCoO）材料，具有低成本、高能量密度、高倍率性能等特点，已经在商用电池中广泛替代后者成为新型锂离子电池的正极材料。商业化功率型NCM 材料的设计容量约为165 mAh·g，而与其具有相似层状结构的NCA材料，容量可以提高约20%。使用的NCA（LiNiCoAlO）正极材料的性能如图1 所示。

图1 NCA 扣电容量和电镜形貌Fig.1 Specific capacity of NCA coin cells and SEM image of NCA materials

图1（a）为NCA 正极材料的扣电容量，扣电容量可以达到193 mAh·g，在全电池设计时，容量按照185 mAh·g设计。结果表明，所使用的NCA 正极材料克容量比商业化功率型NCM 材料高约17%，有利于电池能量密度的提升。图1（b）为NCA 材料的电镜形貌，可见该材料为圆形颗粒，NCA 粒度分析如图2 所示，得到该材料的为6 μm。采用这种小粒径的高容量正极材料，可以有效提升电池的功率性能。

图2 NCA 粒度分析Fig.2 Particle size analysis of NCA materials

2.2 石墨负极功率影响因素

近年来，中间相炭微球（Mesocarbon Microbeads，MCMB）已经广泛用作锂离子电池的负极材料，其特点是具有良好锂离子扩散性、导电性和机械稳定性等。本文选择3 款负极材料进行对比。3 种石墨材料的电镜形貌如图3 所示。图中，石墨A为片状人工石墨，石墨B 和石墨C 为MCMB。石墨A 的最小，石墨B 和石墨C 的D接近，但是石墨B 的比表面积是石墨C 的一半，容量发挥较石墨C小14.2%。不同石墨性能参数对比见表1。

表1 不同石墨性能参数对比Tab.1 Parameters of different graphite samples

图3 3 种石墨材料的电镜形貌Fig.3 SEM images of three types of graphite materials

采用同样的正极电极设计，分别采用3 种负极材料制作容量为2 Ah 的试验电池。对电池做10 C持续倍率放电，实验结果如图4 所示。

图4 3 种石墨负极试验电池倍率放电及温度曲线（10 C）Fig.4 Discharge and temperature curves of three graphite anode batteries at 10 C

通过图4 的10 C 放电和温升曲线对比可见，石墨C 的放电平台最高，峰值温度65 ℃。石墨A 和石墨B 的放电平台接近，石墨B 的放电峰值温度最高。石墨A 虽然设计容量较石墨B 稍高，但是放电平台仍较石墨B 低，说明石墨的微观形貌对于倍率性能影响更大，MCMB 石墨更适合于高功率放电。石墨B 和石墨C 都属于MCMB，两者粒径相差不大，后者的比表面积为前者的1 倍，设计容量也较高，制成的电极厚度低于前者。从放电曲线的对比可见，两者的放电平台相差明显，说明对于同样形貌的石墨负极，通过提高材料的设计容量，增加比表面积，可以增加电极的孔隙率，并缩小锂离子在电极本体的传输途径，从而达到提升电池倍率性能的效果。

2.3 活性物质载量的影响

电极活性物质载量的多少决定着电池的比能量大小，但是活性物质载量过大，锂离子在电极本体中的扩散路径增加，最终会影响电池功率性能的发挥，因此，要在活性物质载量和功率性能之间找到一个平衡点，达到最佳的效果。设计制作了2种活性物质载量的电极，对比试验电池的倍率性能。2 种活性物质载量试验电池10 C 放电曲线如图5 所示，载量A 的放电电压明显高于B，且放电电压平台平稳，而载量B 在放电初期欧姆阻抗大，压降明显，放电电压平台较低。这说明载量A 处于比能量和功率双向发挥最优的范围，而载量B 过大，导致其功率性能发挥失常。

图5 不同活性物质载量10 C 放电曲线Fig.5 Discharge curves of batteries with different cathode electrode surface densities at 10 C

2.4 电解液用量的影响

电解液在电池中起到离子传输的关键作用，电解液的种类、用量与添加剂会影响电池的性能。当电池体系中电解液用量过少时，会难以浸润正负极及隔膜，造成离子传输受阻，电池倍率性能不佳；循环过程中电解液容易干涸，会加大内阻，降低循环稳定性。

为SAR 卫星用能量功率兼顾型电池选择合适的电解液用量，制备了2 种不同电解液用量的20 Ah铝壳电池，分别称为“1#电池”“2#电池”，见表2。

表2 不同电池电解液用量Tab.2 Electrolyte dosages of different batteries

以上2 组电池，经高温老化后，进行低倍率（0.2、0.5、1.0 C）和高倍率（13、14、15 C）下对比测试。测试结果如图6 所示。

图6 不同电解液用量的放电倍率曲线Fig.6 Discharge curves of with different electrolyte dosages

在低倍率（0.2、0.5、1.0 C）下，两种不同电解液添加量的电池性能（容量、电压平台）无明显差异。在高倍率（13、14、15 C）下，2 种不同电解液添加量的电池，在容量和电压平台方面表现出较大的差异。少电解液的2#电池极化大，导致容量和电压平台较低倍率下下降较多。对于多电解液的1#电池，在13、14、15 C 下，放电容量保持率（较1 C）分别为96.7%、97.1%、95.2%，表现出较好的容量保持率。说明1#电池的电解液用量较为恰当地发挥了电池的倍率性能，且电解液用量较多也有利于循环稳定性。

2.5 单体电池尺寸对热性能的影响

锂离子电池在充放电过程中伴随着复杂的电化学反应，其中部分电化学反应的能量会转化为热量，促使电池体系的温度上升。对于高能量密度的锂离子电池大倍率放电时，这种现象更加明显。电池体系内部热量积累，电池局部或整体温度过高，将导致电池性能衰减，甚至引发安全问题。

研制的20 Ah锂离子电池为全密封铝壳封装形式，通过对壳体尺寸与极柱的设计，影响电池热性能。本文设计了3种尺寸的单体电池，观测尺寸对电池热性能的影响。3 种单体电池尺寸分别为：27 mm×70 mm×122 mm，极柱5 mm（单体A）；22 mm×90 mm×119 mm，极柱5 mm（单体B）；22 mm×90 mm×119 mm，极柱6 mm（单体C）。单体A 负极极片尺寸为66 mm×94 mm，单体B 与C 具有相同的负极极片尺寸85 mm×90 mm，且比单体A 负极极片面积大23%。同时，3 种不同尺寸设计的单体电池具有相同的额定容量20 Ah，因此单体A 电极片数更多，尺寸上略厚于单体B 和C。锂离子单体电池随着放电倍率的增加，最高温度区域会出现在正极极柱区域，因此，温度传感器检测正极极柱区域的温度变化。

10 C 倍率放电的电压、电池正极极柱侧温度的变化情况如图7 所示。由图7 可见，3 个不同尺寸的单体电池在相同的10 C 倍率下表现出较为一致的放电曲线，说明电池的电性能方面一致性较好。但是3 个单体电池正极极柱侧的温度随放电深度变化的曲线区别较大。单体A、单体B、单体C 电池正极极柱侧最高温度分别为47.69、43.55、37.34 ℃，最大温升分别是24.00、19.14、12.05 ℃。由此可见，在10 C 放电倍率下，3 种尺寸单体电池都处于热安全区间，正极极柱侧温度均未超过50 ℃；单体A、单体B、单体C 的正极极柱侧在倍率放电时温升依次降低。单体B 与单体C 具有比单体A 更大的极片尺寸，电池内阻更小，散热更充分，因此单体A 在倍率放电阶段出现最显著的温升。单体C 采用极柱为6 mm 较之单体B 的5 mm 极柱尺寸更大，具备更强的集流能力和更小的内阻，因此，在3 种尺寸的单体电池中，单体C 具有最小的温升，最适宜作为单体电池的设计尺寸。

图7 3 种尺寸的20 Ah 锂离子电池在10 C 放电时电压-温度关系图Fig.7 Voltage-temperature diagrams of 20 Ah lithium-ion batteries in three sizes at 10 C discharge

本文所研发的锂离子电池具备＞10 C 的倍率放电能力。对20 Ah 的单体C 电池依次进行1 C 充电、1～15 C 放电的倍率放电测试，同时监测其正极极柱侧的温度变化。单体C 电池在1、3、5、7、9、11、13、15 C倍率放电时正极极柱侧温升的变化如图8所示。随着放电倍率的提高，正极极柱侧的温升也逐步提高，1、3、5、7、9、11、13、15 C 倍率下，放电结束时温升分别为0.18、3.38、5.91、8.50、10.90、13.16、15.29、17.25 ℃。总体而言，单体C 的尺寸设计保证了电池在15 C 放电倍率下，依然能处于较稳定的热安全区间。

图8 单体C 电池在不同倍率放电时正极极柱侧温升Fig.8 Cathode post temperature rise curves of battery C at different time rates

2.6 双高特性锂离子电池研制

通过以上研究，采用小粒径NCA 正极/MCMB负极（石墨C）体系，陶瓷隔膜和110.4 g 电解液用量，电池尺寸90 mm×22 mm×119 mm（××），极柱6 mm，最终研制了额定容量20 Ah 空间用全密封铝壳单体电池，如图9 所示。

图9 20 Ah 空间用全密封铝壳电池Fig.9 20 Ah hermetically sealed lithium-ion battery

单体电池放电性能如图10所示。结果显示，电池在1 C放电容量为23.91 Ah，放电能量为87.40 Wh，根据公式：质量/能量=放电能量/质量可知，1 C 时单体电池比能量为181.50 Wh·kg。单体电池在10 C 时放电容量为23.01 Ah，相比1 C 的放电容量保持率为96.24%；放电能量为78.41 Wh，持续放电时间为414.16 s。根据公式：持续电池比功率=（放电能量质量/放电时间，可以计算得到10 C时单体电池持续放电比功率为1 415.37 W·kg。同理可知，15 C 放电时，对1 C 的放电容量保持率为95.19%，持续放电比功率为2 055.56 W·kg。以上结果显示，所研制的单体电池同时具备高能量密度和高功率密度的特性。