鋰氟化碳電池空間環境適應性研究

米 娟，謝 欣，喬學榮，王九洲，邢鑫磊

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津 300384；2.空軍裝備部駐天津地區第三軍事代表室，天津 300000)

我國首次發射的“天問一號”火星探測器在國際上首次實現了繞火、著陸和巡視三項任務[1]。“天問一號”火星探測器由環繞器和著陸巡視器組成，著陸巡視器的進入、減速和著陸(entry，descent and landing,EDL)過程是任務實施過程的關鍵技術[2]，火星探測史上著陸任務成功率只有50%左右。著陸巡視器由進入艙和火星車兩部分組成，兩器分離至火星車解鎖期間由鋰氟化碳電池組負責供電。

鋰氟化碳電池(Li/CFx)理論比能量高達2 180 Wh/kg[3]，軟包裝電池低倍率放電實際比能量已達到700 Wh/kg 以上，是鋰原電池中比能量最高的，且具有安全性好、貯存壽命長的優點。在深空探測領域，著陸、返回等一次性任務中使用高比能量、長貯存壽命的鋰氟化碳電池，能夠有效減輕供配電分系統的重量。因而，鋰氟化碳電池成為深空探測領域一次電源的優選產品。

目前，我國鋰氟化碳電池產品在科學實驗衛星、著陸器、返回艙等航天器上的應用越來越多。在深空探測任務中，航天器飛行過程會經歷各種空間環境，如電磁輻射環境、太陽風等離子體環境等行星際空間環境，而在近火星空間又將面臨火星電離層、中性大氣、表面輻射環境[4]。著陸火星表面后會經受極端溫度環境，白天溫度達20 ℃，夜晚溫度可下降至-150 ℃。鋰氟化碳電池安裝在艙內，在火星探測過程中經歷不同使用工況、不同使用狀態和不同空間環境。空間環境主要包括運載發射段力學環境，地火轉移和環火飛行至火星捕獲段的低氣壓、帶電粒子輻射和熱真空環境，氣動減速及著陸下降段高低溫環境下的放電，著陸火星后火星表面極低溫環境。這就要求鋰氟化碳電池具備良好的空間環境適應性。

本文依托我國首次火星探測項目，依據相關實驗標準和要求[5-6]，針對鋰氟化碳電池在火星探測過程及落火后所面臨的空間環境，設計并開展了相關評價實驗，用以驗證電池組在火星探測任務中的空間環境適應性。實驗包括輻照實驗、空間環境力學實驗、極低溫度貯存實驗等。

1 空間環境適應性

1.1 輻照實驗

通過考察鋰氟化碳電池輻照實驗前后電池容量、能量變化率，驗證輻照環境對電池性能的影響。使用3 只電池樣本。1 只電池作為對比樣，命名為FZ-00，對比樣電池不進行輻照實驗，以0.1C放電。另外兩只電池分別進行10、20 k rad(Si)的輻照實驗，命名為FZ-10、FZ-20，輻照后，進行0.1C放電。輻照源為Co60γ射線，輻照射線入射方向為電池極性方向，見圖1 箭頭指示所示。

圖1 鋰氟化碳電池輻照實驗照片

鋰氟化碳電池輻照實驗前后電池電壓、內阻及放電結果見表1和圖2。

圖2 輻照實驗前后電池性能

表1 輻照實驗測試結果

由表1 和圖2 可見，輻照實驗前后，鋰氟化碳電池電壓、內阻無明顯變化，輻照后0.1C放電，放電曲線電壓平臺下降不明顯，與對照電池相比，容量和放電能量衰減量小于2%。

經分析，大劑量γ射線輻照后電池性能衰降主要來自于界面副反應引起的界面膜變化。

1.2 空間環境力學實驗

伴隨航天器發射、減速制動、著陸等過程，電池組都會經歷不同力學環境。電池組環境力學實驗用于檢查發現結構設計缺陷，驗證其力學環境適應性。力學實驗條件見表2 和表3。

表2 加速度實驗條件

表3 沖擊實驗條件

力學環境實驗前后測試電池組電壓和內阻，實驗過程中采集電池組電壓和放電電流，并觀察電池組電壓和放電電流有無跳變情況，力學實驗結束后檢查電池組結構有無變形或損傷。

鋰氟化碳電池組空間環境加速度實驗過程放電電壓、電流曲線見圖3 所示，加速度實驗前后電池放電電壓、內阻值及過程放電容量見表4。

表4 鋰氟化碳電池加速度實驗前后電壓、內阻及過程放電容量值

圖3 鋰氟化碳電池加速度實驗過程放電曲線

電池組經受加速度實驗后再分別進行三個軸向的1 800 g 沖擊實驗，在沖擊瞬間進行放電，實驗過程采集電池電壓和放電電流。

鋰氟化碳電池1 800 g 沖擊實驗過程放電曲線見圖4，沖擊實驗前后電池電壓、內阻和過程放電容量值見表5 所示。

圖4 鋰氟化碳電池沖擊實驗過程放電曲線

表5 鋰氟化碳電池沖擊試驗前后電壓、內阻和過程放電容量值

電池組在加速度、沖擊實驗過程放電電流曲線和電壓曲線平滑無跳變，實驗前后電壓和內阻正常，電池組結構無變形、斷裂等結構損傷，說明電池組具有良好的耐受力學環境的能力。

1.3 極低溫度貯存實驗

著陸巡視器著陸火星過程中由鋰氟化碳電池組供電，著陸火星后，在火星車駛離著陸器前的時間段鋰氟化碳電池組會經歷火晝-火夜溫度交變，因而需要進行鋰氟化碳電池極端低溫-常溫的溫度交變實驗。

使用液氮實驗罐進行極低溫環境實驗，實驗流程如下。

第一步，將滿荷電態的鋰氟化碳電池置于充滿液氮的環境中2.5 h，將電池取出，室溫下恢復1 h。

第二步，將完成第一步操作的電池置于液氮中，當電池電壓達到0 V 時取出，室溫下恢復1 h。

第三步，將完成第二步室溫恢復1 h 后的電池，置于液氮中，當電池電壓達到0 V 時取出，室溫下恢復1 h。重復此步操作，共3 次。

第四步，將完成第三步操作的電池，重新置于液氮中，放置12.5 h。

第五步，將完成第四步操作的電池從液氮中取出，室溫下恢復12 h。

第六步，將完成第五步操作的電池再次置于液氮中，直至電池電壓降至0 V 取出，置于常溫環境，待電池溫度與室溫一致后，以0.1C放電。

所使用的實驗電池為鋰氟化碳單元電池，實驗過程中監測電池電壓和溫度，實驗結束后待電池恢復常溫，測試0.1C放電性能。實驗結果見圖5。

圖5 鋰氟化碳電池極低溫度實驗

實驗過程中，將滿荷電態電池放于液氮環境中后，隨著溫度降低，電池電壓逐漸下降，見圖5(b)。在1 362 s 時，電池電壓下降至2.0 V，此時電池溫度-136.84 ℃，1 440 s 時，電池電壓下降至1.0 V，此時電池溫度為-139.65 ℃，鋰氟化碳電池在液氮中放置約1 500 s，電池電壓急速下降直至為0 V，當把電池從液氮環境中取出放于室溫條件下，電池重新恢復至正常開路電壓。

低溫下，電解液離子電導率下降明顯，電池歐姆阻抗增加。低溫下，鋰鹽在電解液中電離出正、負離子的能力大大減弱，正、負離子在電解液中自由運動的能力減弱，擴散阻抗增加。電池低溫下起始放電電壓平臺低。當溫度降低至一定程度，電解液凝固后，電解質完全不能電離出離子，即使能電離出少量離子，此時在電解液中也無法自由定向運動，這意味著電池喪失了對外供電能力。

實驗中，鋰氟化碳電池在液氮環境中放置約1 500 s 時，電池電壓降至0 V。把電池從液氮中取出，置于室溫環境，電池溫度慢慢回升，鋰氟化碳電池開路電壓慢慢升高。

將恢復至常溫的電池，以0.1C放電，經過極端低溫后的氟化碳電池放電容量為107.42 Ah，放電能量為286.58 Wh。未經液氮冷凍電池放電容量為110.63 Ah，放電能量為293.59 Wh。經過極端低溫電池與未經極端低溫電池相比，前者容量損失2.99 %，這說明極端低溫電池容量未發生明顯衰減。鋰氟化碳電池極低溫度實驗數據見圖6。

圖6 鋰氟化碳電池極低溫度實驗

2 結論

本文通過輻照實驗、空間環境力學實驗、極低溫度貯存實驗等多種手段測試了鋰氟化碳電池的空間環境適應性，獲得了相關數據。此研究為后續鋰氟化碳電池在深空探測領域的應用積累了數據。