民用航空鋰離子電池的發展與應用研究

摘 要：鋰離子電池相對于鎳鎘、鉛酸等傳統電池來說，具有能量密度高，工作電壓高，自放電率低，循環壽命長，充放電效率高，工作溫度范圍寬、環境污染小等優良特點，是現代高性能電池的發展方向，已廣泛用于手機、筆記本電腦、電動車等消費領域，同時在民用飛機、空間探測器等航空航天領a域中也擁有廣闊的應用前景。文章研究了民用航空鋰離子電池的發展、應用以及面臨的安全性風險，闡述了民用航空鋰離子電池相關的適航和安全標準。

關鍵詞：民用航空；鋰離子電池；發展；應用

1 鋰離子電池簡介

鋰離子電池是一種二次電池，由正極、負極、隔膜和電解液四部分構成。充電時，鋰離子從正極中脫出，在負極中嵌入，放電時，鋰離子從負極中脫出，在正極中嵌入，圖1給出了鋰離子電池結構和充放電原理示意。

圖1 鋰離子電池結構和充放電原理示意

通過表1中鋰離子電池與鎳鎘電池、鉛酸電池性能對比發現，鋰離子電池具有能量密度高，工作電壓高，自放電率低，循環壽命長，充放電效率高，工作溫度范圍寬、環境污染小等優良特點，是現代高性能電池的發展方向[1]。

表1 鋰離子電池、鎳氫電池、鉛酸電池性能對比

2 鋰離子電池的發展

20世紀70年代?？松镜腗.S.Whittingham提出并開始研究鋰電池，他采用硫化鈦做正極材料，金屬鋰作為負極材料，制成了首個鋰電池。經過20余年的研究與發展，1991年索尼公司成功發布首個商用鋰離子電池。隨著數碼產品的廣泛使用，鋰離子電池以優異的性能得到廣泛應用，并逐步向其他應用領域擴展。而最近20年來，研發能量密度更高，循環壽命更更長，安全性更高的大功率高性能鋰離子電池一直是是世界高性能二次電池科學技術發展的戰略目標。

為了開發出性能更加優異的鋰離子電池，研究人員對作為鋰離子電池核心和關鍵的新型儲鋰材料和電解質材料開展了大量的研究與開發。其中，為了研發電位高、密度大、安全性好、壽命長等優點的正極材料，層狀結構材料、尖晶石結構材料、橄欖石結構材料成為重要的研究方向，研究人員分別發現了層狀結構材料LiMO2，尖晶石結構材料LiMn2O4，橄欖石結構材料LiMPO4，以及其他新型結構材料；為了研發容納更多鋰離子，具有較高離子電導率和電子電導率，良好穩定性的負極材料，研究人員重點研究了性能更優的嵌入型負極材料、合金化型負極材料和轉化型負極材料或對現有的負極材料進行大幅改性；而對于電解液，為了避免漏液、易燃、易爆等安全性問題，正在向固態電解液方向發展。[2]

3 鋰離子電池在民用航空領域的應用

隨著鋰離子電池新材料的出現和鋰離子電池技術和工藝的改進，鋰離子電池的性能大幅提升，應用范圍也在不斷擴展，已經從民用消費領域逐漸擴展到了航空航天領域，特別是大容量高功率鋰離子電池在航空領域擁有更廣闊的應用前景。

航空領域民用飛機的電源系統主要包括主電源、輔助電源、應急電源和二次電源等。目前，民用飛機大量采用鎳鎘電池，相比于鋰離子電池，具有體積大、重量大、蓄電量和放電電流不足、充電慢等缺點。隨著鋰離子電池技術成熟和性能提高，高性能大容量鋰離子電池既能夠滿足新一代多電民用飛機的電源需求，同時也減輕了飛機的重量，推動了各民機制造商逐步將其用于飛機應急照明，駕駛艙語音記錄儀，飛行數據記錄儀，記錄儀獨立電源，備用或應急電源，主電源和輔助動力裝置電源等機載系統。

波音公司在使用先進的大容量高功率鋰離子電池方面較為領先，在其新研的B787型飛機上采用了由法國泰雷茲公司生產的鋰離子電池作為主電池及輔助動力裝置電池，成為了全球首款在飛機安全關鍵系統中采用鋰離子電池技術的民用運輸類飛機。雖然B787飛機于2011年8月26獲得了FAA的型號合格證，但是投入商業運行之后一架日航的該型飛機于2013年1月7日在美國波士頓機場發生了輔助動力裝置電池起火事故，9天后的1月16日，另外一架全日空的該型飛機又在飛行過程中發生了主電池故障，并緊急降落。事后檢查發現兩架飛機上均發生了電池短路造成的熱失控現象，導致殼體嚴重損毀，B787飛機因此停飛了長達4個多月。雖然發生電池短路的根本原因尚未確定，波音公司還是改進了其鋰離子電池系統的設計，確保B787飛機得以重返藍天。[3]

空客公司在A380飛機上的應急照明設備中使用了鋰離子電池，并且原本計劃采用由法國電池制造商Saft公司提供的鋰離子電池作為其A350型飛機的啟動和備用電源，但由于波音B787飛機鋰離子電池起火事故尚無法確定產生安全問題的根本原因，公眾及航空公司對于鋰離子電池的安全性加重了懷疑?？湛凸窘涍^評估，重新采用了已獲得充分驗證并廣泛使用的鎳鎘電池?？湛凸驹贏350型飛機上舍棄鋰離子電池雖然增加了飛機的重量，但是有效降低了安全風險，保證了項目的順利開展。空客公司同時也表示將與Saft公司繼續開展技術合作，借鑒波音B787飛機電池事故調查結果，研究鋰離子電池在航空領域應用的成熟度。相信不久的將來，A350型飛機也將會采用先進的鋰離子電池技術。

國際先進飛機制造商波音公司和空客公司在其飛機上使用大容量高功率鋰離子電池的經驗表明：隨著鋰離子電池技術的發展，能量密度逐漸增大，電池容量逐漸增加，電池體積和重量也在增加，其散熱性和穩定性變差，更易發生熱失控現象，安全問題更為突出，已成為制約大容量高功率鋰離子電池在航空領域應用發展的最大瓶頸，民用航空鋰離子的設計必須遵循相關的適航與工業標準保證其安全性。

4 民用航空鋰離子電池安全標準

為了保證安全，在民用飛機上安裝鋰離子電池必須符合民用飛機相關的適航標準并獲得適航當局的批準。中國民航規章第25部《運輸類飛機適航標準》第25.1353條[4]規定了安裝鎳鎘電池需要符合的適航要求，但這些適航要求對于鋰離子電池來說是不夠的。適航當局需要根據中國民航規章第21部《民用航空產品和零部件合格審定規定》[5]第21.16條的規定，針對在民用飛機上安裝鋰離子電池這一新穎的設計特點制定相應的專用條件。

從FAA于2007年10月17日針對B787飛機上安裝鋰離子電池頒發的專用條件[6]來看，主要從電池內部溫度壓力、易爆和有毒氣體、可燃液體防火、相鄰結構和系統、電池過熱、電池過充、電池監控和告警、持續適航文件等方面考慮，制定了9條具體的適航要求，構成了民用航空鋰離子電池安全標準的核心內容。

對于如何符合上述專用條件中的適航要求，FAA在總結多年來民用飛機鋰離子電池適航審定的經驗基礎上，于2015年10月15日頒發了咨詢通告AC 20-184《飛機充電鋰電池和電池系統試驗和安裝指南》，指導飛機制造商結合自身鋰離子電池設計、安裝和使用的實際情況，選擇適當的審定流程，開展相應的系統安全性分析，并根據RTCA 2010年12月8日發布的DO-160G《機載設備的環境條件和試驗程序》、2008年3月13日發布的《充電鋰電池最低運行性能標準》以及2013年12月13日發布的DO-347《中小型充電鋰電池和電池系統審定試驗指南》選擇相應的環境條件和試驗程序開展相應的設備鑒定試驗和功能驗證試驗。該咨詢通告同時還要求民機制造商按照咨詢通告AC 20-115C表明鋰離子電池系統中軟件的安全性，按照咨詢通告AC 20-152表明鋰離子電池系統中復雜硬件的安全性，按照咨詢通告AC 25.856-1表明可燃液體防火條款的符合性。除此以外，鋰離子電池系統還需在設計中考慮增加電池健康監測功能，并最終向航空公司提供鋰離子電池相關的持續適航文件[7]。

5 結束語

隨著新材料的不斷出現，鋰離子電池技術將繼續發展和成熟，憑借其優越的性能，鋰離子電池在民用航空領域的應用將會更為廣泛。目前，我國民用航空領域大功率鋰離子電池的研究和應用尚處空白，未來在其設計、安裝、使用過程中應充分借鑒國外先進飛機制造商和航空鋰離子電池制造商的經驗，參考航空鋰離子電池相關的工業標準，開展具體的試驗等工作，表明鋰離子電池相關適航規章的符合性，確保民用航空鋰離子電池的安全可靠。

參考文獻

[1]王海明.鋰離子電池的特點及應用[J].電氣時代，2004（3）.

[2]閆定金.鋰離子電池發展現狀及其前景分析[J].航空學報，2014，35（10）.

[3]NTSB， Aircraft Incident Report， Auxiliary Power Unit Battery Fire， Japan Airlines Boeing 787-8， JA829J， Boston， Massachusetts， January 7， 2013.

[4]中國民用航空規章第25部，運輸類飛機適航標準[S].2011-11-7.

[5]中國民用航空規章第21部，民用航空產品和零部件合格審定規定[S].2007-4-15.

[6]FAA Special Condition No.25-359-SC， Boeing Model 787-8 Airplane； Lithium Ion Battery Installation， October 11， 2007.

[7]FAA AC 20-184， Guidance on Testing and Installation of Rechargeable Lithium Battery and Battery on Aircraft， October 15， 2015.