空間氫鎳電池技術的發展

王傳東

(海軍駐天津地區兵器設備軍代表室，天津 300381)

氫鎳蓄電池是鎘鎳電池和燃料電池技術相結合的產物，氧化鎳電極源自鎘鎳電池，負極采用氫氧燃料電池中具有催化活性的鉑氣體擴散電極，負極活性物質是氫氣，整個電池密封于一個壓力容器內，氫氣壓力變化范圍為0.1～6 MPa甚至更大，因此常被稱為高壓氫鎳電池，主要作為儲能電源應用于航天領域。

氫鎳電池按結構特點可分為IPV、CPV、SPV、DPV氫鎳電池。目前在國際上應用最多的是IPV氫鎳電池，其次是CPV氫鎳電池和SPV氫鎳電池。由于IPV氫鎳電池介紹較多，本文僅對CPV和SPV氫鎳電池的技術發展及應用進行介紹。

1 CPV及應用

(1)單體電池結構設計特點及主要性能指標

共用壓力容器(Common pressure vessel)氫鎳電池，是將兩個串聯極組置于同一個壓力容器內，是IPV電池設計技術的擴展，電池電壓為2.5 V。美國的Eagle-Pitcher(EP)公司從1976年開始CPV氫鎳電池的研究，1984年研制出第一只CPV電池樣品，直到1994年10只6 Ah CPV氫鎳電池才作為貯能電源用于APEX衛星上。圖1為CPV氫鎳電池的結構示意圖，殼體內的兩個極組(每個極組為一個單元電池)串聯，其正負極、隔膜等部件完全繼承IPV氫鎳電池，每個極組的組成也與IPV電池相同，它的焊接環在電池中腰，兩個極組被分為上下兩部分。與CPV電池結構相關的主要問題是兩個單元電池之間的電液橋問題，這會造成電液從一個單元電池遷移到另一個單元電池，最后導致一個單元電池由于干涸而性能下降，阻止單元電池之間形成電液橋，單元電池間一致性、單元電池的電連接是CPV電池的關鍵。

圖1 CPV氫鎳電池結構示意圖

(2)蓄電池組結構

CPV氫鎳電池的應用主要是小衛星平臺，電池的容量不是很大，一般集中在6～23 Ah。適應小衛星的安裝要求，CPV電池組有以下幾種結構形式：

(a)水平安裝結構

圖2所示是10只6 Ah CPV串聯的電池組，電池裝入卡套之后水平安裝在底板上。這種電池組結構設計優點一是散熱面大，非常有利于充放電過程中熱量的傳導，大大改善電池的熱設計；二是有利于保持CPV兩個單體電池一致性。缺點是安裝面積變大。

圖2 水平安裝的6 Ah CPV氫鎳電池組

(b)垂直安裝結構

垂直安裝的電池組結構形式是最為常見的安裝形式，相比于水平安裝結構，縮減了安裝面積，但是電池的軸向溫差拉大，散熱面積小。

(c)整體結構

為適應衛星不同需求，CPV氫鎳電池組還有其它的一種結構形式，即底板、卡套為一體。整體式結構增大了散熱的橫截面積，可以有效降低電池組的軸向溫差。而且由于各單體位于同一零件上，單體間也有較大的熱傳遞，也能降低同一蓄電池組件中單體電池之間的溫差。

2 SPV氫鎳電池的技術發展及應用

單一壓力容器SPV(Single pressure vessel)氫鎳電池，只需要一個壓力容器就可以形成一組電池，即在一個壓力容器內串聯所有的單體電池。電池組電壓為所有的單體電池電壓之和。這種結構在比能量、安裝面積和內阻等方面具有一定的優勢，它的缺點是一旦壓力容器出現泄露將導致整組電池失效。

SPV氫鎳電池是CPV氫鎳電池設計理念的邏輯推廣。CPV氫鎳電池是兩個電極堆串聯置于一個壓力容器中，SPV氫鎳電池是多個電池單元串聯置于一個壓力容器中，每個電池單元電壓為1.25 V，電池單元的數量取決于所需要的電池電壓。在SPV氫鎳電池中，充放電時所有電池單元工作在同一氫氣環境，電池內部無凈壓力差。此種設計的優點在于提高了電池性能，降低了構造復雜性，減小電池內阻從而簡化了電池熱設計，降低了總的電池成本。對于一個典型的電壓為28 V的飛行器用電池組，含22只電池單元的SPV氫鎳電池比由22只IPV單體電池組合的電池組能量密度、比能量高得多；由于結構設計的簡化，生產一只SPV氫鎳電池比生產一組提供同樣功率的IPV氫鎳電池組所用的時間要少得多，以EP為例，每周即可生產一只60 Ah、28 V(22個單體)的SPV氫鎳電池。

(1)SPV氫鎳電池設計

SPV氫鎳電池的主要失效機制仍是電解液干涸。電解液的儲存被認為是影響電池長期可靠性的關鍵因素。因而，電解液儲存系統對電池顯得異常重要。SPV氫鎳電池電解液儲存系統有兩種：FCS(Flexible containment system)和RCS(Rigid containment system)。FCS設計繼承早期的Johnson Controls Battery Group,Inc.Bulter,Wisconsin的CPV氫鎳電池的設計。RCS設計由EP的Joplin，Missouri吸取在此之前的FCS產品經驗基礎上開發的。FCS和RCS的不同是根據電池單元殼壁材料、電池單元封裝方式、填充端閉合和電路連接的不同劃分的。這些設計的不同導致了制造工藝的區別。RCS設計的電池單元可以封裝、灌電解液進行電池單元本身的性能試驗，在電池裝配前進行單元電池的容量等其它電性能匹配試驗。相反的，FCS設計的電池單元必須先裝配成電池組以壓緊電池單元，灌電解液后在充有氫氣的鍋爐板壓力容器中進行充放電循環，在最后密封焊接壓力容器之前或之后對電池組進行性能測試。RCS的設計與IPV電池相似，能對電池單元進行匹配，因而提供了更可靠的質量保證，優于FCS的設計。當前，EP生產的SPV氫鎳電池都是采用FCS設計，RCS設計還處于內部研究階段，但毫無疑問RCS相對與FCS來說是一個進步。

(2)電池單元結構設計

電池單元的設計是SPV氫鎳電池系統設計的一個技術關鍵，它必須符合電池組水平上的各種機械、電和熱界面的要求。總的設計概念是保證電解液完整性和電池單元之間彼此獨立，同時電池內部共用的氫氣能自由交換。以22只電池單元、FCS設計的SPV氫鎳電池為例，輕質量電池單元用半圓形雙層聚乙烯袋封裝，和圓柱狀壓力容器配合，22只半圓形電池單元均分兩堆成對疊合置于壓力容器的“上、下”兩側，與電池中心軸垂直。每個電池單元包括5個模塊，每個模塊包括1個吸堿膜，2個背靠背設計的負極片，4個氧化鋯隔膜，2個背靠背設計的鎳極板和2個擴散網。電池單元中，正負極板交錯疊放，相同極性的極板并聯連接，并聯的正極板數決定了電池的容量。末端的模塊有額外的一個擴散網。隔膜、吸堿膜和鎳極板為31%的KOH電解液浸濕。為提供電池單元中能讓氫氣自由出入而電解液不外流的通道，用兩個聚合物墊圈將微孔半徑合適的Teflon(聚四氟乙烯)憎水膜封在雙層的聚乙烯平紋織物袋上并使其交錯放置，電池單元內外無直接的氣孔通道。與其它種類的氫鎳電池相比，SPV電池單元工作于“饑餓”電解液模式，幾乎所有的電解液均被電極和隔膜吸收，因而沒有游離的電解液。

(3)電池組設計

(a)機械設計

在RCS設計SPV氫鎳電池中，主要受力部件是壓力容器(Inconel 718)、壓縮桿(304SS)、抗震彈簧(SS)、壓縮支架(A16061-T6)和鎖緊零件(SS)。在FCS設計中的主要受力部件是壓力容器(Inconel 718)、壓縮桿(鈦)、電連接桿(鈦)、電極堆 /密封Belleville墊圈(302SS)、電極堆壓縮彈簧(鈦)和鎖緊零件(SS)。

與IPV電池一樣，SPV電池的外殼為圓柱狀殼體、兩端封以半球形的蓋、Inconel合金材料的壓力容器。殼體與蓋之間用焊接環連接并用激光焊密封。RCS設計中，水平的兩只電池單元結合在每個圓形的導熱板上，三根壓縮桿將兩列電池單元堆分隔并提供電池堆與壓力容器焊接環間的連接。壓力傳感器(2個)焊在與電池末端的相對的殼蓋上，傳感器的O形環提供氫氣密封。

FCS設計中，22只電池單元每兩只結合一個導熱翅板堆疊成11個高度。四根電連接桿對稱分布在電池堆中心，兩根壓縮桿置于電池單元圓周附近將電池堆結合在壓力容器上。

(b)電設計

RCS與FCS電設計的原則性區別在于電池單元的連接方式不同。FCS設計采用梳子-梳子式機械連接，而RCS設計采用銀帶導體與電池單元接線端螺釘連接。FCS設計中，將導電極耳焊在梳子型的電連接桿上。基于SPV電池的幾何尺寸，它的極耳較IPV電池短得多，因而總的電池內阻要小。電連接桿的設計也為電極提供了額外的機械支撐，幫助避免相反電極之間形成小的電流回路。電接線柱采用機械壓力密封，電接線通過Inconel插件但與其絕緣。

(c)熱設計

考慮直徑為3.048 m的EP生產的SPV氫鎳電池，其溫度梯度必須小于10℃，以避免塑料電池壁內由于水蒸發引起的電解液濃度不均。散熱設計是在兩個電池單元間插入導熱翅板(6061鋁，外鍍鎳層)以加強徑向的傳導和減小溫度梯度。導熱翅板與塑料電池壁及Inconel壓力容器器壁緊密結合，減小間隙厚并提供金屬－金屬的接觸。此種設計提供了最大的、直接的熱傳導通路，將電池單元內的熱傳導至壓力容器上，通過壓力容器再將熱傳導至電池外部基板或直接輻射出去。

3 結論

在空間能源領域，雖然新的技術正在不斷被開發出來，但其成熟的飛行經驗、高可靠性和長壽命不會使其退出應用舞臺。隨著氫鎳電池技術不斷完善及經驗積累，未來它還將在空間飛行器上發揮優勢，擴大應用范圍[1-2]。

[1]李國欣.新型化學電源技術概論[M].上海：上海科學技術出版社,2007:172-218.

[2]LINDEN D,REDDY T B.電池手冊[M].汪繼強，譯.3版.北京：化學工業出版社，2007.