在飞机上使用的锂离子电池研究

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　　Saft日前宣称，空中客车公司已选择其锂离子电池系统作为A350飞机的启动及备用电源。自从Saft和空中客车公司开始合作开发用于飞行器上的碱性技术以来，Saft技术专家致力于扩大适用于每个项目上的可用技术投资。这将是空中客车公司历史上首次使用该新电池系统。该协议说明Sail十几年来研究的先进锂离子电池成功适用于特殊应用领域。该电池系统提供了真正创新的解决方案以及包括在相关的电化学算法式中使用了Saff专利技术的集成监视以及充电系统。该项目在未来25 a将产生2亿的销售额。Sail公司小组CEO John Searle评价：“Sail公司非常荣幸能被选中参与该项目，并且他们很高兴能继续与空中客车公司为其高技术电池设备进行合作。”［1］
　　1 锂离子电池的工作原理
　　锂离子电池由能够可逆嵌入与脱嵌锂离子的正负极、隔膜和电解质四部分构成。［2］充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。电解质用来分隔离子传输和电子传输；隔膜是锂离子的传输通道，它放在电池的正负极之间，允许锂离子通过但不允许电子通过。层状LiCoO2为正极，层状石墨为负极的锂离子二次电池的工作原理。充电时，Li＋从LiCoO2正极脱出经过电解质嵌入石墨负极，随着充电量的持续增加，负极慢慢处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路到达石墨负极，以保证负极的电荷平衡。放电时正好相反，Li＋从石墨负极脱出，经过电解质进入LiCoO2正极，放电结束时，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。从充放电的可逆性来考虑，在正常充放电情况下，锂离子在正极和负极材料间来回嵌入与脱出，一般不破坏晶体结构，所以要求的正负极材料在脱嵌过程中结构变化尽量要小。例如Li离子充放电过程中LiCoO2只在层间距上发生变化，LiFePO4充放电产物FePO4与本体结构差距不大，都属橄榄石型，只是发生晶格上的轻微变化。以LiCoO2为例，其电极与电池反应过程如下：
　　正极：LiCoO2→Li1－xCoO2＋xLi＋＋xe－
　　负极：6C＋xLi＋＋xe－→LixC6
　　电池：LiCoO2＋6C→Li1－xCoO2＋LixC6
　　2 锂离子电池的特点和现状以及发展前景
　　2.1 锂离子电池的特点
　　目前锂离子电池具有以下优点：［3～9］①能量密度高；②输出功率大，可大电流放电；③平均输出电压高（～3.6 V）为Ni－Cd、Ni－H电池的3倍；④自放电小，不到Ni－Cd、Ni－H电池的一半；⑤储存时间长，预期可达10 a；⑥循环性能优越；⑦可快速充放电，且放电平稳；⑧充电效率高；⑨工作温度范围宽，为－40～70 ℃；⑩无污染，称为绿色能源。
　　当然锂离子电池也有一些不足之处：①制备条件要求高；②成本高；③为提高安全性，防止正负极短路及过充电，必须有特殊的保护电路。
　　2.2 锂离子二次电池的现状及发展前景
　　锂离子二次电池由于其性能上的优势，已经在便携式电器（如笔记本电脑、摄像机、移动通讯）中得到了普遍应用。国外锂离子二次电池的生产主要集中在发达国家，如日本的东芝、松下、索尼、富士、三洋、Moli等；欧美的Saft、Varta等；韩国的三星，还有其他一些大型的跨国公司如诺基亚、摩托罗拉等。
　　我国是个巨大的二次电池消费市场，根据国家信息部的消息，2004年底已经突破1亿户，居世界第一。如果按每部手机配两块电池计算，我国就有近2亿只手机电池的市场，再加上摄像机、随身听、笔记本电脑以及其他电子设备，我国每年大约有3亿只高档电池的需求，其中锂离子二次电池占40%以上。
　　锂离子二次电池在航空航天领域也有着巨大的发展空间。传统的航天器使用太阳能电池作为电源系统，但是在太空中航天器不可能总是对着太阳，当航天器位于阴暗面时，太阳能电池就无法正常工作，这时就必须使用储能蓄电池来供电。用于航天领域的二次电池必须具有可靠性高、低温工作性能可靠以及超长循环寿命、能量密度高、体积小等特点，而这些恰好是锂离子二次电池所特有的优势。美国航空局（NASA）和美国空军研究所（US Air Force Research Laboratory）计划将锂离子二次电池用作空间飞行器（如行星着落器、行星漫游器、地球高低轨道飞行器、无人飞行器和军用飞机等）的动力电源。
　　参考文献
　　1 空中客车公司选择SAFT锂离子电池系统装备A350宽体飞机［J］.船电技术，2009（4）
　　2 M. Wakihara. Recent developments in lithium ion batteries［J］. Mater Sci Eng, 2001,33: 109～134
　　3 Yukio Sasaki, Masahiro Takehara, Susumu Watanabe. Electrolytic behavior and application to lithium batteries of monofluorinated dimethyl carbonate［J］. Solid State Ionics, 2000（6）：299～303
　　4 吴宇平、万春荣、姜长印等.锂离子电池研究［J］.锂离子二次电池，1998
　　5 戴纪翠、腾祥国、马培华.锂离子二次电池电解质的研究动态［J］.盐湖研究，2003（2）：11～12
　　6 扬捷.锂离子电池的特点与应用［J］.锂离子二次电池，2003（2）：23～25
　　7 钟辉、周燕芳、许惠.层状LiMnO2正极材料的研究进展［J］.化学通报，2003（7）：15～18
　　8 周燕芳、钟辉.锂离子电池正极材料的研究进展［J］.材料开发与应用，2003（2）：18～19
　　9 A.M. Kannan, L. Rabenberg, and A. Manthiram. High Capacity Surface－Modified LiCoO2 Cathodes for Lithium－Ion Batters［J］.Electrochemical and Solid－state Letters, 2003,1,A16－A18
　　
　　The Aircraft used in Lithium Ion Battery Research
　　Li Lei, Xue Lei, Hu Chunhong
　　Abstract: With advances in technology, the extensive development of lithium－ion battery technology. Article describes the use of aircraft on the development of lithium－ion batteries brief and excellent performance, the last of the lithium－ion battery prospect.
　　Key words: aircraft; lithium－ion battery
　　
　　

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