高能电池在航天工程上的应用及发展趋势

高能电池在航天工程上的应用及发展趋势,仝辉,由NordriDesign提供,主要内容,一高能电池的概念二高能电池在航天工程上的应用三发展趋势,高能电池的概念,概念：高能电池是具有较高比能量的电池。电池比能量：在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。以铅蓄电池为例，它的电池反应为PbPbO22H2SO42PbSO42H2O反应物的电化学当量之和为3.866(Pb)4.463(PbO2)+3.659(H2SO4)约12克，这些物质全部反应后产生1安时的电量。因此1千克反应物质可产生83.3安时的电量。电量与电动势的乘积等于电能,所以1千克反应物产生的电能为83.32.044170.3瓦时。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为，在计算中假定了反应物全部按电池反应进行，即无副反应；忽略了电池的内阻引起的电位降；没有考虑反应物质以外的其他部件的重量。理论比能量是实际比能量的极限。在研制新型化学电池时，理论比能量与实际比能量的比值能够反映出电池的研制水平。,高能电池在航天工程上的应用,1一次性电源主要有锌银电池组，锂/二氧化硫电池和锂亚硫酰氯电池。它们作为短期卫星(少于30天)的主电源或应急、火工品点火的辅助电源。一次电源的特点是一次性使用，不能反复充电。2核电源不同的热源和热电转换器构成了放射性同位素温差发电器、核反应堆温差发电器和核反应堆热离子发电器三种核电源。核电源适用于光强低、核辐射、空间攻防、需轨道大机动和深空探测等特殊航天器。放射性同位素温差电池(简称RTG)是核电源中最简单、核污染最易防护、可靠性最高、应用最多的核电源。RTG是将放射性同位素的衰变产生的射线动能转变成热能，利用塞贝克效应直接把热能转换成电能的电池。自1961年到1998年，美国公开报道已有25个航天器上使用43个RTG，这些航天器有美国国防部发射的导航卫星与通信卫星，另一部分用于美国航天局发射的月面站、火星着落器及深空探测飞行器上。这些RTG的输出功率从2.7w到300w，质量从2Kg到56Kg，最高热电效率为6.7，最高质量比功率为5.36W/Kg，设计寿命为5年。前苏联从1965年开始也在大力发展和应用RTG，除了深空探测飞行器应用外，更多的是用于军事目的。,高能电池在航天工程上的应用,3燃料电池(FC)3.1PEMFC在航天中的应用质子交换膜氢氧燃料电池(PEMFC)可作为大功率短期飞行任务航天器的主电源。它是以氢气为燃料，氧气为氧化剂，在催化剂存在和约80的条件下产生如下的化学反应：2H2+022H20+电能美国的航天飞机采用了这种电源。它的优点是独立性强、功率大、适合于低轨道及机动飞行，副产品水可供宇航员使用。其缺点是辅助系统复杂，系统总的重量比能量不高，液氢与液氧低温储存难，安全性和可靠性较突出。由于液氢和液氧携带量有限，不适合半年以上空间任务的使用。3.2AFC在航天中的应用AFC（碱性燃料电池）是目前航天领域中应用最成功的燃料电池。它采用KOH溶液为电解质，燃料和氧化剂分别为纯氢和纯氧。早期用于阿波罗登月飞船的是Bacon型AFC，由31只单体电池串联而成，输出电压为2731V，正常输出功率为563.1W。目前，美国航天飞机使用的是石棉膜AFC，它由96只单体电池组成，输出电压为28V，输出功率为12kW。,高能电池在航天工程上的应用,3.3RFC在航天中的应用RFC（再生燃料电池）从功能上看类似于二次电池。当外界需要电能时，RFC将贮存在氢气和氧气中的化学能转换为电能；当能量富余时，RFC利用外界提供的电能将水电解为氢气和氧气。在航天领域中，同传统的蓄电池相比，RFC的能量密度要高很多。RFC通常要与太阳能电池阵列联合使用，其重要应用前景是月球基地、近地轨道卫星、空间站及高空长航时无人机。采用电力驱动的高空长航时无人机的电源，能量密度应大于400Whkg，目前，可以满足该要求的化学电源只有RFC。用于一架无人机的一体式RFC，功率密度可达791Whkg。3.4燃料电池在航天中的研究热点NASA(美国航天航空局)的相关研究集中在可应用于月球基地电源系统、近空间飞行器动力系统的RFC及AFC的升级。欧洲学者研究了用再生AFC取代蓄电池的可行性；日本正在积极研究应用于太空环境中的PEMFC，并搭建了相关的实验平台。中国科学院大连化学物理研究所于1997年承担了一项有关RFC系统研究的“863”项目，成功开发了百瓦级再生氢氧燃料电池原型系统，在此基础上，进行了一体式再生氢氧燃料电池的应用基础研究。,高能电池在航天工程上的应用,太阳电池阵，蓄电池供电系统它由太阳电池阵、蓄电池组、电源控制单元三个子系统组成。在航天器处于轨道光照区，太阳电池阵通过光伏效应把太阳光能转换成直流电，并由电源控制单元分流、稳压调节、充电控制，向空间各种载荷供电，并对蓄电池组充电。在星蚀期，蓄电池组经过电源放电调节器控制、调节，向载荷供电。这种供电系统的工作寿命在高轨道超过10年，低轨道超过5年。输出功率达到75kW(国际空间站)，结构相对简单，没有复杂活动部件，可靠性高。因此，全世界95以上的空间采用这种系统。4.1太阳电池阵可用于空间的太阳电池种类：薄膜太阳电池(非晶硅、硒铟铜太阳电池)、单晶硅太阳电池及、族的化合物太阳电池。目前空间上使用最多的是单晶硅太阳电池，其中BSR型电池生产水平的效率可达123，耐辐射性能好，用于高轨长寿命卫星。若增加背电场，效率可达15，耐辐射性能较差，一般用于辐射总剂量相对低的低轨道卫星上。进入九十年代后，美、日、西欧都大力发展“陷光效应”单晶硅太阳电池，光电效率达到18；并通过减少电池厚度，提高电池耐高能粒子辐射能力和降低重量。国外20世纪90年代以后空间太阳电池片研究的最大成就是采用MOCVD(金属有机化合物化学气相淀积)外延技术开发并在空间上应用的锗衬底多结砷化镓太阳电池。,高能电池在航天工程上的应用,4.1.1GaAs太阳电池GaAs太阳电池是一种族化合物半导体太阳电池,与Si太阳电池相比,其特点为:光电转换效率高b)可制成薄膜和超薄型太阳电池c)耐高温性能好d)抗辐射性能好e)可制成效率更高的多结叠层太阳电池,高能电池在航天工程上的应用,多结GaAs太阳电池单结GaAs电池只能吸收特定光谱的太阳光,其转换效率不高。不同禁带宽度的族材料制备的多结GaAs电池,按禁带宽度大小叠合,分别选择性吸收和转换太阳光谱的不同子域,可大幅度提高太阳电池的光电转换效率。理论计算表明：双结GaAs太阳电池的极限效率为30%,三结GaAs太阳电池的极限效率为38%,四结GaAs太阳电池的极限效率为41%。20世纪80年代中期,国外逐步开始研制高效率多结叠层电池。多结叠层电池效率高、温度系数低、抗辐射能力强,其空间应用更具吸引力。三结砷化镓太阳电池经上海微小卫星工程中心、航天5院、航天805所等单位在“神州七号”伴星、尖兵六号等卫星上应用，性能稳定可靠，满足用户的使用要求4.1.2未来空间太阳电池的发展方向在近20年中太阳电池技术有了很大的发展，高效太阳电池的研究有了突飞猛进的发展，出现了各种各样新材料和新结构的电池：如GaAs/GaAs,GaAs/Ga,InP/InP,InP/Si,基于GaAs或InP的双结电池，聚光太阳电池，非晶硅薄膜电池，微晶硅薄膜电池，片状硅电池等。其中GaAs、InP等族化合物电池，以其高的光电转换效率和优越的抗辐射性能，正在为进入空间领域而努力。但由于它们目前都存在着一些显著的缺点，以致于不能广泛地应用于空间。因此目前在空间应用中仍以硅电池为主。PERL（表面钝化背面局域扩散电池）电池由于其与传统的空间硅太阳电池、GaAs电池相比具有非常高的效率和良好的性能，且在生产成本上也有相当的优势，因此在空间应用中具有非常好的发展前景。,高能电池在航天工程上的应用,4.2蓄电池组储能装置是电源系统中重量最大，最易失效的部件，主要有全密封CdNi电池组、氢镍电池组、锂离子蓄电池组三种。表2列出了它们的比较。,高能电池在航天工程上的应用,4.2.1镉镍电池镉镍电池是1898年瑞典科学家Jungner发明,已有100年历史。电池反应如下:2NiOOH+Cd+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)2镉镍电池组技术成熟，成本较低，在今后一段时间，在某些中、短寿命，重量要求不高的低轨卫星上仍将继续占有重要位置。至今航天811所已完成多种空间全密封镉镍蓄电池产品系列，为风云一号、风云三号气象卫星，中巴合作资源一号地球资源卫星，资源二号卫星，实践六号、实践七号卫星，创新一号通讯卫星，遥感一号、遥感三号卫星和神舟系列飞船配套。4.2.2氢镍电池电池反应为:NiOOH+MHNi(OH)2+M和镍镉电池相比，氢镍电池具有重量轻、循环寿命长、耐过充电过放电、可以高深度放电、其内部压力可显示其荷电状态及放电电压高、没有记忆效应等优点；其缺点是外壳形状为承受内部50个以上大气压的工作气压必须是圆柱体，所占的体积与安装位置大，体积比能量较低。从1983年“国际通讯卫星”5号第3颗星开始，均使用氢镍蓄电池组作贮能装置。目前国外地球同步轨道卫星基本上也都如此。国内的811所已完成空间氢镍蓄电池产品系列，并且已被天宫一号和遥感系列等5个卫星型号选用。,高能电池在航天工程上的应用,4.2.3锂离子蓄电池锂离子蓄电池是一种空间用且至今比能量最高的蓄电池，其比重量达到130Wh，单体电池放电电压3.6V，均比镉镍电池高三倍。除此之外，锂离子电池有良好的温度特性，自放电低，充电热效应小，充电效率远比镉镍与氢镍电池高。所有这些特点大大提高了锂离子电池空间应用的优势。由于锂离子蓄电池有众多优点，世界各国竟相开发，并计划在今后各种空间计划中采用。其中主要有法国SAFT公司、德国的Varta公司、日本的GS公司、美国的Eagle-picher与Yardncy公司。a锂离子电池在微小卫星上的应用国际上，锂离子电池在航天电源领域的应用已进入工程化应用阶裂。目前已经有几十颗航天器采用了锂离子电池作为储能电源。,高能电池在航天工程上的应用,b锂离子电池在高轨卫星上的应用由于锂离子电池的比能量高达125whkg，远远高于目前应用的氢镍电池60whkg的比能量，对于一颗20kw功率的高轨道卫星，采用锂离子电池组代替氢镍电池组，电池组的重量可以节约300kg以上。因此，欧空局(ESA)从1996年就开始评估锂离子电池在STENTOR高轨卫星平台上应用的可行性，2003年Astrium已完成了锂离子电池在EUROSTAR3000平台上应用的综合评估，2004年3月发射的W3A卫星是国际上第一颗采用锂离子电池的高轨道卫星，此后，AiTlazonas、Hotbird8、Skynet5A。Skynet5B、SyracuseA、SyracuseB等高轨道卫星均采用了锂离子电池作为储能电源。,高能电池在航天工程上的应用,c锂离子电池在深空探测航天器上应用在深空探测领域，由于航天器需要进行长距离飞行，锂离子电池的高比能量、低自放电的优势尤为突出，在近几年开展的深空探测计划中，均采用了锂离子电池作为储能电源。如：欧空局(ESA)发射的SMART-1月球探测器、火星快车、美国NASA发射的勇气号和机遇号火星探测器等。我国月球探测二期也计划采用锂离子电池作为着陆器和月球车的储能电源。,锂离子蓄电池组在神舟七号飞船伴星上的成功应用，是世界上第三代空间储能电源锂离子蓄电池组在国内航天器上的首次使用。它标志着我国继美、欧、日后已经成为世界上第四个能独立掌握空间用锂离子蓄电池储能技术的国家。,发展趋势,1航天用电池的特点:高可靠性，是要求电源的性能十分稳定可靠，能承受十分苛刻的环境和力学条件的考验，这是由于航天技术是一项十分复杂的高、精、尖技术的综合工程，各种技术系统都是用最先进的最可靠的仪器和设备，这些仪器设备当然需要最优良的最可靠的电源与之配套使用。高安全性，是要求电源本身要绝对安全、稳定，绝对不允许由于电源的工作特性，在极其个别的情况下，可能会产生短路、燃烧或爆炸的情况发生，要绝对保障航天器的安全高比能量，是要求电源体积小、重量轻。目前中型以上卫星，电源重130500kg；微小卫星，电源占全星的2043。高可靠性：超过097。使用及维护上的极其简便性，虽然要求航天电源技术先进，复杂，但在使用及维护上要十分简便，做到装上就能用。,发展趋势,2航天用电池的发展趋势:一次性电池的发展趋势：锌银电池有大功率的优点，但湿搁置寿命和充放电循环寿命较短，用之前需预热，因此多用于运载火箭。目前长寿命锌银电池是研究的方向。镍镉电池的发展趋势：(1)向高比容量方向发展,与镍氢电池、锂电池争夺市场;(2)向低成本方向发展。但镉的污染问题严重制约了它的发展，逐步被镍氢电池代替。镍氢电池的发展趋势：使其寿命进一步延长,改善其低温和高温性能。锂离子电池的发展趋势：锂离子电池由于其高的能量密度和较高的单电池电压，在航天和军事领域的研究和应用