三種大容量長壽命低軌道用氫鎳蓄電池研究

周亦龍，檀立新，任學穎，樊紅敏，范梅梅

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

三種大容量長壽命低軌道用氫鎳蓄電池研究

周亦龍，檀立新，任學穎，樊紅敏，范梅梅

（中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384）

通過長壽命正極等關鍵技術的攻關，研制出一個大容量淺充淺放型氫鎳蓄電池（Ni-H2）系列，包括G60氫鎳蓄電池、QNY1G100氫鎳蓄電池、QNY1G150氫鎳蓄電池3個產品。經鑒定測試，該系列電池比能量超過57Wh/kg、預計循環壽命可達到40000次（DOD 40%），適于空間站等長壽命低地球軌道條件下應用。

氫鎳蓄電池；低軌道應用；大容量；長壽命

1 引言

氫鎳蓄電池是20世紀70年代發展起來的第二代“太陽電池陣-蓄電池組”衛星電源系統中的儲能裝置，是比鎘鎳蓄電池更新的一種貯能體系。氫鎳蓄電池是鎘鎳蓄電池技術和燃料電池技術相結合的產物［1］，采用的固體鎳電極類似于鎘鎳蓄電池的鎳電極，負極是燃料電池使用的鉑催化氣體電極，在該電極上氫氣能夠發生催化電化學反應，這是氫鎳蓄電池的特點之一。由于負極活性物質是氫氣，整個電池的極組設計在一個壓力容器內。一個壓力容器、一個電池極組、1.25 V電壓，這種設計的氫鎳蓄電池叫IPV（Independent pressure vessel）電池；一個壓力容器、兩個電池極組、2.5 V電壓，這種設計的氫鎳蓄電池叫CPV （Common pressure vessel）電池。氫鎳蓄電池技術發展最初集中在獨立容器的IPV電池設計上，電池直徑包括88.9 mm（3.5英寸）、115 mm（4.5英寸）和139.7 mm（5.5英寸）等幾種類型，電池殼體用Inconel 718（鎳基合金）制造，內部電池極組分低地球軌道（LEO）和地球同步軌道（GEO）應用兩種設計，電池設計容量范圍覆蓋50～300 Ah，質量比能量不超過75 Wh/kg。由于密封氫鎳蓄電池具有壽命長等主要優點，自20世紀70年代起得到了系統的研究和發展［2］，主要應用于航天，特別是用作衛星和空間站的儲能設備。它的高比能量特性使蓄電池組在滿足功率和能量的使用要求下，總質量得到較大幅度的減輕；它的充放循環壽命長的特點能延長衛星等航天器的工作壽命，提升經濟性。此外，它充電和過放電能力強的特點能簡化電源系統控制部分的設計，提高電源分系統的可靠性。

氫鎳蓄電池已經成為空間飛行器用最主要的化學貯能電源之一，高軌道長壽命大功率衛星幾乎100%都使用氫鎳蓄電池，低軌道飛行器中也有相當數量的飛行器采用高壓氫鎳蓄電池作為貯能電源。盡管目前受到高比能量鋰離子蓄電池的沖擊，氫鎳蓄電池有被替代失去重要地位的可能［3-5］，但其成熟的飛行經驗及高可靠和長壽命特性，使其不會很快退出應用舞臺。同時，工程技術人員也在對其進行改進以使其具有更高比能量，如采用纖維鎳作為鎳電極的導電骨架［6］，優化單體電池和電池組的結構設計，開發300 Ah以上容量的電池［7］以滿足高功率、長壽命衛星的工作需要。因此，隨著航天工業的發展，未來高壓氫鎳蓄電池還會在空間飛行器上繼續使用，并進一步擴大應用范圍。本文中，通過長壽命正極等關鍵技術的攻關，研制出一個低軌道應用氫鎳蓄電池（Ni-H2）系列，包括NY1G60氫鎳蓄電池、QNY1G100氫鎳蓄電池、QNY1G150氫鎳蓄電池3個產品。經鑒定測試，該系列電池比能量超過57 Wh/kg、循環壽命達到40 000次（DOD 40%），適用于低地球軌道（LEO）等淺充淺放條件下應用。

2 產品設計與計算

2.1 低軌應用特點分析

低軌道應用電池必須能夠進行幾萬次的充放電循環，使用電極需經得起上萬次循環產生的應力［8］，與其他體系電池相比，氫鎳蓄電池適合低軌應用的主要特點是：基板強度高，經得起濫用（過充、過放）；循環壽命長，容量衰減小；壓力對應容量，充電控制方式多樣等［9］。

容量衰降是氫鎳蓄電池使用過程中常見的失效模式，不同設計的氫鎳蓄電池在壽命期間的衰退速率是不一樣的。部分國內外電池的壽命試驗結果表明［9］：氫鎳蓄電池在循環壽命試驗的中、前期，電池容量衰降較小，壽命后期則呈現衰降增大的趨勢。因此，在電池設計時須考慮充分的容量裕度。

2.2 長壽命低軌用氫鎳電池關鍵技術的解決

通常用96 min軌道來表征低軌衛星應用的特點，該軌道距離地球555 km，衛星在該軌道繞地球飛行一圈的時間為96 min，每天飛行15圈，每一圈需要蓄電池供電的時間最長不超過36 min，因此要求蓄電池盡量在60 min內充滿電，相對于高軌道應用電池，其放電倍率變化不大，但充電倍率卻增加了好幾倍。長壽命低軌用氫鎳電池的關鍵技術是研究一種更強壯的鎳電極。在長壽命電極技術攻關中，通過在基底上涂覆一層T210鎳粉層增強基板燒結層與穿孔鎳帶之間的結合力。研制了一種高強度鎳基板［10］，根據基板的表觀、強度、孔率和孔徑分布選定燒結工藝。然后采用電化學浸漬的方法制備成長壽命鎳電極，電極的循環壽命性能有較大提高［11］。

2.3 典型產品的設計

典型產品的設計充分繼承現有氫鎳蓄電池的成熟技術，極組設計采用背靠背方式。IPV電池設計電壓為1.25 V，電池由電池殼體、極組（1個單元）、密封極柱等零部件組成。CPV電池設計電壓為2.5 V，電池內部有兩個單元串聯的極組。電池的設計狀態見表1所示。

表1 電池的設計狀態Table 1 Introoduction of cell design

研究針對低軌道應用的特點，重點對長壽命正極技術進行攻關。典型產品的容量選擇在該系列電池可能的擴展范圍內具有代表性，設計參數見表2，產品實物照片見圖1。

表2 典型產品的設計參數Table 2 Design parameters of typical cells

圖1 典型產品實物照片Fig.1 Photo of cells

3 試驗結果與分析

3.1 溫度特性試驗

為滿足在軌長壽命高可靠工作，需要了解該系列氫鎳蓄電池在工作溫度范圍內不同溫度點（-20℃～30℃）的容量特性和自放電特性。從經濟性角度考慮，取有代表性的100 Ah電池分別在-20℃±3℃、-10℃±3℃、0℃±3℃、10℃±3℃、20℃±3℃、30℃±3℃環境下進行容量試驗和72 h自放電試驗。試驗中，放電容量、3天自放電充電容量與環境溫度的變化規律，充電終止電壓、放電中間電壓（C/2放電1 h時）隨溫度的變化規律見圖2、3。圖2可見，在環境溫度0℃時的放電容量最大；充電終止電壓與溫度負相關，C/2放電1 h電壓在20℃有最大值，充電終止壓力在20℃則有最小值；圖3可見，電池自放電率與溫度呈非線性正相關，溫度越高，自放電率上升幅度越大；同一溫度下，自放電率與擱置時間呈非線性正相關，擱置時間越長，自放電率增幅越小。

圖2 放電容量、3天自放電容量與溫度關系Fig.2 Capacity and capacity after 3 days vs.temperature

圖3 充電終止、放電中間電壓與溫度關系Fig.3 Cell voltage at the end of charge and mid of discharge vs.temperature

3.2 鑒定檢驗試驗

按該系列電池的詳細規范，對電池進行了鑒定檢驗試驗，鑒定試驗結果均滿足規范要求，試驗結果統計見表3。

3.3 過放電、過充電試驗

鑒定檢驗時，對QNY1G100和QNY1G150進行了過充電試驗（參照GJB2831A-2009［12］制定的試驗條件：環境溫度10℃±3℃下，以0.1 CA電流充電12～15 h后，再以0.1 CA電流過充電24 h）和過放電試驗（試驗條件：環境溫度10℃±3℃下，以0.1 CA電流充電12 h，以0.6 CA電流放電至1.0 V后，繼續以0.6 CA電流過放電1.2 h），電池過充電時電壓曲線見圖4，過放電時電壓曲線見圖5，電池過放電時的電壓曲線變化平緩且無突變。

表3 電池系列鑒定檢驗結果統計表Table 3 Results of critical tests

圖4 電池過充電電壓曲線Fig.4 Cell voltage vs.state of overcharge

圖5 電池過放電電壓曲線Fig.5 Cell voltage vs.state of reversal

3.4 壽命試驗結果

三種電池的壽命試驗中，由于實際壽命試驗周期較長，鑒定時只完成了部分循環次數，在規定的壽命循環后測試電池容量相對與試驗前的初始容量均未見下降，滿足詳細規范的要求。

早期研制的100 Ah電池，采用的燒結基板未進行關鍵技術攻關，能夠完成40%DOD充放電循環34 000次以上，試驗電池電性能穩定。結合短期電極過應力比對試驗結果（技術攻關前后），推斷本研究在正極進行關鍵技術攻關后，研制電池的循環壽命將大幅度提高，可能達到4萬次，滿足低軌長壽命的要求。

4 結論

通過長壽命電極技術的攻關，研制了3種低軌用氫鎳蓄電池，每種產品均具有較好的擴展性，可以根據型號的實際需求進行擴展，IPV電池設計容量可覆蓋50～200 Ah，CPV電池的設計容量可覆蓋20～100 Ah，可以根據工程型號的實際需求對電池容量進行靈活擴展、推廣應用，特別適合用作長壽命低軌道（LEO）應用航天飛行器的儲能電源，比如用作空間站的儲能電源，因其有大容量、高可靠、長壽命的特點，具備較強的競爭實力。

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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

周亦龍（1978-），男，碩士，高級工程師，研究方向為空間儲能電源技術。E-mail：zizyl@eyou.com