空間氫鎳電池技術(shù)的發(fā)展

王傳東

(海軍駐天津地區(qū)兵器設(shè)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(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，氧化鎳電極源自鎘鎳電池，負(fù)極采用氫氧燃料電池中具有催化活性的鉑氣體擴(kuò)散電極，負(fù)極活性物質(zhì)是氫氣，整個(gè)電池密封于一個(gè)壓力容器內(nèi)，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(chǔ)能電源應(yīng)用于航天領(lǐng)域。

氫鎳電池按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為IPV、CPV、SPV、DPV氫鎳電池。目前在國(guó)際上應(yīng)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(duì)CPV和SPV氫鎳電池的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 CPV及應(yīng)用

(1)單體電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及主要性能指標(biāo)

共用壓力容器(Common pressure vessel)氫鎳電池，是將兩個(gè)串聯(lián)極組置于同一個(gè)壓力容器內(nèi)，是IPV電池設(shè)計(jì)技術(shù)的擴(kuò)展，電池電壓為2.5 V。美國(guó)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(wèi)星上。圖1為CPV氫鎳電池的結(jié)構(gòu)示意圖，殼體內(nèi)的兩個(gè)極組(每個(gè)極組為一個(gè)單元電池)串聯(lián)，其正負(fù)極、隔膜等部件完全繼承IPV氫鎳電池，每個(gè)極組的組成也與IPV電池相同，它的焊接環(huán)在電池中腰，兩個(gè)極組被分為上下兩部分。與CPV電池結(jié)構(gòu)相關(guān)的主要問題是兩個(gè)單元電池之間的電液橋問題，這會(huì)造成電液從一個(gè)單元電池遷移到另一個(gè)單元電池，最后導(dǎo)致一個(gè)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(guān)鍵。

圖1 CPV氫鎳電池結(jié)構(gòu)示意圖

(2)蓄電池組結(jié)構(gòu)

CPV氫鎳電池的應(yīng)用主要是小衛(wèi)星平臺(tái)，電池的容量不是很大，一般集中在6～23 Ah。適應(yīng)小衛(wèi)星的安裝要求，CPV電池組有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：

(a)水平安裝結(jié)構(gòu)

圖2所示是10只6 Ah CPV串聯(lián)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)一是散熱面大，非常有利于充放電過程中熱量的傳導(dǎo)，大大改善電池的熱設(shè)計(jì)；二是有利于保持CPV兩個(gè)單體電池一致性。缺點(diǎn)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(jié)構(gòu)

垂直安裝的電池組結(jié)構(gòu)形式是最為常見的安裝形式，相比于水平安裝結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)

為適應(yīng)衛(wèi)星不同需求，CPV氫鎳電池組還有其它的一種結(jié)構(gòu)形式，即底板、卡套為一體。整體式結(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)展及應(yīng)用

單一壓力容器SPV(Single pressure vessel)氫鎳電池，只需要一個(gè)壓力容器就可以形成一組電池，即在一個(gè)壓力容器內(nèi)串聯(lián)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(jié)構(gòu)在比能量、安裝面積和內(nèi)阻等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，它的缺點(diǎn)是一旦壓力容器出現(xiàn)泄露將導(dǎo)致整組電池失效。

SPV氫鎳電池是CPV氫鎳電池設(shè)計(jì)理念的邏輯推廣。CPV氫鎳電池是兩個(gè)電極堆串聯(lián)置于一個(gè)壓力容器中，SPV氫鎳電池是多個(gè)電池單元串聯(lián)置于一個(gè)壓力容器中，每個(gè)電池單元電壓為1.25 V，電池單元的數(shù)量取決于所需要的電池電壓。在SPV氫鎳電池中，充放電時(shí)所有電池單元工作在同一氫氣環(huán)境，電池內(nèi)部無凈壓力差。此種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于提高了電池性能，降低了構(gòu)造復(fù)雜性，減小電池內(nèi)阻從而簡(jiǎn)化了電池?zé)嵩O(shè)計(jì)，降低了總的電池成本。對(duì)于一個(gè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，生產(chǎn)一只SPV氫鎳電池比生產(chǎn)一組提供同樣功率的IPV氫鎳電池組所用的時(shí)間要少得多，以EP為例，每周即可生產(chǎn)一只60 Ah、28 V(22個(gè)單體)的SPV氫鎳電池。

(1)SPV氫鎳電池設(shè)計(jì)

SPV氫鎳電池的主要失效機(jī)制仍是電解液干涸。電解液的儲(chǔ)存被認(rèn)為是影響電池長(zhǎng)期可靠性的關(guān)鍵因素。因而，電解液儲(chǔ)存系統(tǒng)對(duì)電池顯得異常重要。SPV氫鎳電池電解液儲(chǔ)存系統(tǒng)有兩種：FCS(Flexible containment system)和RCS(Rigid containment system)。FCS設(shè)計(jì)繼承早期的Johnson Controls Battery Group,Inc.Bulter,Wisconsin的CPV氫鎳電池的設(shè)計(jì)。RCS設(shè)計(jì)由EP的Joplin，Missouri吸取在此之前的FCS產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上開發(fā)的。FCS和RCS的不同是根據(jù)電池單元?dú)け诓牧稀㈦姵貑卧庋b方式、填充端閉合和電路連接的不同劃分的。這些設(shè)計(jì)的不同導(dǎo)致了制造工藝的區(qū)別。RCS設(shè)計(jì)的電池單元可以封裝、灌電解液進(jìn)行電池單元本身的性能試驗(yàn)，在電池裝配前進(jìn)行單元電池的容量等其它電性能匹配試驗(yàn)。相反的，F(xiàn)CS設(shè)計(jì)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(jìn)行充放電循環(huán)，在最后密封焊接壓力容器之前或之后對(duì)電池組進(jìn)行性能測(cè)試。RCS的設(shè)計(jì)與IPV電池相似，能對(duì)電池單元進(jìn)行匹配，因而提供了更可靠的質(zhì)量保證，優(yōu)于FCS的設(shè)計(jì)。當(dāng)前，EP生產(chǎn)的SPV氫鎳電池都是采用FCS設(shè)計(jì)，RCS設(shè)計(jì)還處于內(nèi)部研究階段，但毫無疑問RCS相對(duì)與FCS來說是一個(gè)進(jìn)步。

(2)電池單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電池單元的設(shè)計(jì)是SPV氫鎳電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)技術(shù)關(guān)鍵，它必須符合電池組水平上的各種機(jī)械、電和熱界面的要求?？偟脑O(shè)計(jì)概念是保證電解液完整性和電池單元之間彼此獨(dú)立，同時(shí)電池內(nèi)部共用的氫氣能自由交換。以22只電池單元、FCS設(shè)計(jì)的SPV氫鎳電池為例，輕質(zhì)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(duì)疊合置于壓力容器的“上、下”兩側(cè)，與電池中心軸垂直。每個(gè)電池單元包括5個(gè)模塊，每個(gè)模塊包括1個(gè)吸堿膜，2個(gè)背靠背設(shè)計(jì)的負(fù)極片，4個(gè)氧化鋯隔膜，2個(gè)背靠背設(shè)計(jì)的鎳極板和2個(gè)擴(kuò)散網(wǎng)。電池單元中，正負(fù)極板交錯(cuò)疊放，相同極性的極板并聯(lián)連接，并聯(lián)的正極板數(shù)決定了電池的容量。末端的模塊有額外的一個(gè)擴(kuò)散網(wǎng)。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(gè)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(cuò)放置，電池單元內(nèi)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(shè)計(jì)

(a)機(jī)械設(shè)計(jì)

在RCS設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(huán)連接并用激光焊密封。RCS設(shè)計(jì)中，水平的兩只電池單元結(jié)合在每個(gè)圓形的導(dǎo)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(huán)間的連接。壓力傳感器(2個(gè))焊在與電池末端的相對(duì)的殼蓋上，傳感器的O形環(huán)提供氫氣密封。

FCS設(shè)計(jì)中，22只電池單元每?jī)芍唤Y(jié)合一個(gè)導(dǎo)熱翅板堆疊成11個(gè)高度。四根電連接桿對(duì)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(jié)合在壓力容器上。

(b)電設(shè)計(jì)

RCS與FCS電設(shè)計(jì)的原則性區(qū)別在于電池單元的連接方式不同。FCS設(shè)計(jì)采用梳子-梳子式機(jī)械連接，而RCS設(shè)計(jì)采用銀帶導(dǎo)體與電池單元接線端螺釘連接。FCS設(shè)計(jì)中，將導(dǎo)電極耳焊在梳子型的電連接桿上?；赟PV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(nèi)阻要小。電連接桿的設(shè)計(jì)也為電極提供了額外的機(jī)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(jī)械壓力密封，電接線通過Inconel插件但與其絕緣。

(c)熱設(shè)計(jì)

考慮直徑為3.048 m的EP生產(chǎn)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(nèi)由于水蒸發(fā)引起的電解液濃度不均。散熱設(shè)計(jì)是在兩個(gè)電池單元間插入導(dǎo)熱翅板(6061鋁，外鍍鎳層)以加強(qiáng)徑向的傳導(dǎo)和減小溫度梯度。導(dǎo)熱翅板與塑料電池壁及Inconel壓力容器器壁緊密結(jié)合，減小間隙厚并提供金屬－金屬的接觸。此種設(shè)計(jì)提供了最大的、直接的熱傳導(dǎo)通路，將電池單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)至壓力容器上，通過壓力容器再將熱傳導(dǎo)至電池外部基板或直接輻射出去。

3 結(jié)論

在空間能源領(lǐng)域，雖然新的技術(shù)正在不斷被開發(fā)出來，但其成熟的飛行經(jīng)驗(yàn)、高可靠性和長(zhǎng)壽命不會(huì)使其退出應(yīng)用舞臺(tái)。隨著氫鎳電池技術(shù)不斷完善及經(jīng)驗(yàn)積累，未來它還將在空間飛行器上發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大應(yīng)用范圍[1-2]。

[1]李國(guó)欣.新型化學(xué)電源技術(shù)概論[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2007:172-218.

[2]LINDEN D,REDDY T B.電池手冊(cè)[M].汪繼強(qiáng)，譯.3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.