Литий-ионные аккумуляторы космического назначения, основные направления работ и полученные результаты

Размещено на http://www.allbest.ru/

ОАО «Сатурн»

Литий-ионные аккумуляторы космического назначения, основные направления работ и полученные результаты

C.Д. Лихоносов

В.А. Попов

Интегральным критерием технического совершенства АБ космического назначения является величина реализуемой удельной энергии для максимальных практических сроков активного существования (САС) при удовлетворении заданным ТЗ эксплуатационным диапазонам параметров работы (напряжение, температура, саморазряд, ФКП и др.), требованиям надежности и безопасности.

Реализованные значения указанного критерия для АБ ОАО ”Сатурн” представлены в табл. 1.

Таблица 1 Практическое совершенство литий-ионных аккумуляторов (ЛИА) и АБ

Проблемы и достижения при создании литий-ионных аккумуляторов для эксплуатации на геостационарных и высокоэллиптических орбитах

К настоящему моменту времени в ОАО «Сатурн» разработан ряд ЛИА (литий-ионный герметичный призматический -ЛИГП): ЛИГП-10, ЛИГП-25, ЛИГП-50, ЛИГП-85 и ЛИГП-120 и др. номиналом емкости от 10 до 120 А·ч. Основные технические характеристики ЛИА для ГСО приведены в табл. 2 (в сравнении с наиболее современным аналогом ведущего мирового производителя ЛИА космического назначения).

Таблица 2 Характеристики аккумуляторов для ГСО

1 - при токе разряда С/2 и средней температуре разряда 20є С

2 - длинаЧширинаЧвысота (указана высота по корпусу ЛИА, в скобках - по борту)

На основе указанных аккумуляторов реализованы аккумуляторные батареи (АБ) соответствующие по основным характеристикам АБ ведущих мировых производителей, а по удельным характеристикам - несколько их превосходящие.

В табл. 3 приводятся сравнительные характеристики АБ космического применения фирм SAFT, MITSUBISHI ELECTRIC и ОАО ”Сатурн” при сопоставимых уровнях энергоемкости.

Таблица 3 Сравнение габаритно-массового совершенства АБ

1 - оценка (для SAFT - подтверждена испытаниями у производителя КА);

2 - по результатам предварительных испытаний.

На рис. 1 представлены результаты продолжающейся квалификации ресурсных характеристик ЛИА (7 аккумуляторов ЛИГП-50), демонстрирующие, помимо выполнимости требований к циклическому ресурсу при эксплуатации на геостаци-онарной (ГСО) и высокой эллиптической (ВЭО) орбитах сроком не менее 15 лет, высокую технологическую стабильность производства аккумуляторов.

Кроме того выполнены (выполняются) следующие виды ресурсных испытаний ЛИА:

1) Испытания на сохраняемость (начаты в 2010 году). Подтверждена высокая сохраняемость ЛИА при температурах не более 0…10є С и НРЦ не более 3,8 В;

2) Комбинированные испытания - чередование ускоренного циклического ресурса с хранением в течение 30…45 дней при НРЦ 4,0 В и температурах 40…60є С. Подтверждено положительное влияние циклирования на улучшение сохраняемости в наиболее тяжелых условиях и отсутствия влияния на циклический ресурс при длительном хранении в периодах солнцестояния на орбите (подтверждено также летной квалификацией);

3) Ресурсные испытания после воздействия ионизирующего излучения дозой более 12,5 Мрад (непосредственно на блок электродов). Подтверждено отсутствие влияния ИИКП на ресурсные характеристики реализованной конструкции электрохимической группы.

Рис. 1. Квалификация ресурсных характеристик ЛИА при постоянной глубине разряда величиной ~ 70 % от полной емкости.

К настоящему моменту времени проведена летная квалификация экспериментальной ЛИАБ в течение 3-х лет в составе КА “Глонасс”, завершена наземно-экспериментальная отработка в полном объеме для целого ряда образцов ЛИАБ для ГСО и ВЭО первые летные комплекты отгружены Заказчику.

Критический анализ результатов наземно-экспериментальной отработки и летной квалификации

При наземно-экспериментальной отработке и летной квалификации ЛИАБ для ГСО и ВЭО как ключевой была определена проблема согласования характеристик саморазряда комплекта аккумуляторов АБ с периодичностью регламентных работ при хранении АБ в эксплуатирующей организации (ЭО) и алгоритмами управления (выравнивания) АБ при эксплуатации на орбите.

Причина указанных проблем - наличие аккумуляторов с уровнем саморазряда более 0,3…0,4 % в сутки (при медианном значении партии аккумуляторов на уровне ~ 0,2 % в сутки). Для указанных аккумуляторов достаточно очевидно наличие микрошунтов, определяющих некоторое превышение уровней саморазряда относи-тельно среднего значения партии (находящееся, тем не менее, в рамках требований ТЗ).

Данное обстоятельство приводит к двум негативным последствиям:

1) Необходимости регламентных работ с ЛИАБ (проверка НРЦ, выравнивание) при хранении в ЭО с относительно высокой периодичностью;

2) Необходимости проведения выравнивания АБ в течении теневых участков орбиты (и соответственно - наличия соответствующей программно-аппаратной реализации в бортовой автоматике управления).

Общие пути решения указанной проблемы очевидны: более жесткие критерии отбора аккумуляторов на стадии ПСИ, использование топологии АБ с применением пакетов из параллельно соединенных аккумуляторов, мероприятия по улучшению технологической культуры производства.

Дальнейшие пути наращивания характеристик

Естественно, что для существенного наращивания достигнутых энергетических характеристик АБ необходимо увеличение удельной энергии аккумуляторов.

Анализ показывает, что для опытно-конструкторских работ ближайшего времени, как целевой может быть определен уровень удельной энергии ЛИА величиной ~ 250 Вт·ч/кг.

Реализация удельной энергии 250 Вт·ч/кг на аккумуляторе невозможна без разработки электрохимической группы (ЭХГр) на основе перспективных материалов.

1. Основные задачи разработки материальной части ЭХГр:

1.1) создание активного материала положительного электрода, способного обеспечить указанные энергетические характеристики (данная задача приоритетна в силу того, что положительный электрод фактически определяет массовые характеристики аккумулятора);

1.2) создание активного материала отрицательного электрода, способного обеспечить указанные энергетические характеристики;

1.3) разработка составов активных масс для реализации максимальных характеристик активных материалов и отработка технологии процесса нанесения активной массы на токоотводы для обеспечения требуемых характеристик электродов;

1.4) разработка состава электролита для реализации максимальных характеристик электродов на основе новых материалов.

2. Также приоритетными являются вопросы по подтверждению ресурса, надежности и безопасности для аккумуляторов с перспективными материалами: ионный аккумулятор геостационарный электрический

2.1) подтверждение ресурса аккумуляторов на основе ЭХГр с высокими удельными характеристиками;

2.2) разработка конструктивных и регламентных мер для обеспечения требований безопасности (устойчивость к перезарядам, переразрядам, взрывобезопасность при коротких замыканиях и т.д.), для перспективных аккумуляторов и АБ на их основе;

2.3) необходимость параллельных работ по определению идеологии и опытно-экспериментальной отработке перспективных средств контроля и управления АБ (взаимодействие разработчиков основного изделия и его составных частей), так как характеристики бортовых средств автоматики являются критическими для обеспечения надежности и безопасности литий-ионных АБ.

К настоящему времени реализованная удельная энергия аккумуляторов ОАО «Сатурн» на основе LiCoO2 (материал положительного электрода) и синтетического графита (материал отрицательного электрода) составляет до 165 Вт·ч/кг (при уровне токов величиной С/2, до 170…175 Вт·ч/кг для токов С/5…С/10). Для обеспечения удельной энергии не менее 250 Вт·ч/кг требуется создание новых материалов положительного (в первую очередь) и отрицательного электродов.

Основным направлением мировых исследований по созданию материала положительного электрода с высокой удельной энергией является создание материала yLi2MnO3 · (1-y)LiMO2, причем под данным типом рассматриваются материалы разных составов: химических, структурных, фазовых. Общим для этих типов является наличие в составе материала фазы Li2MnO3, которая активируется при потенциале выше 4,6 В (относительно лития). По химическому составу материалы могут различаться по входящим в состав металлам (M=Ni, Co, Mn и др.), по структуре на слоистые-слоистые, слоистые-шпинелевые, либо различные сочетания слоистые-слоисто-шпинелевые. Различие по фазовому составу определяется содержанием Li2MnO3, т.е. стехиометрическим коэффициентом у.

Проблема разработки указанных материалов является важнейшей для решения поставленной задачи. В настоящий момент времени ОАО “Сатурн” ведет активное взаимодействие с отечественными научными и производственными предприятиями по разработке соответствующих материалов и оптимизации электролита.

Проблемы и достижения создания литий-ионных аккумуляторов для эксплуатации на низких околоземных орбитах

Достигнутые результаты

По оценкам ОАО “Сатурн”, одним из ведущих мировым производителем ЛИАБ космического назначения для эксплуатации на НОО является фирма SAFT (Франция).

Современному мировому уровню ЛИА фирмы SAFT для НОО соответствуют аккумуляторы VES-140 и VES-16 (с активной массой положительного электрода на базе никеля) и аккумуляторы MPS (с активной массой положительного электрода на базе кобальта).

Уровень характеристик указанных ЛИА в сравнении с разработанными ОАО “Сатурн” аккумулятором ЛИГП-48 (в рамках программы АБ 12ЛИ-48) и аккумулятором ЛИГП-20 (в рамках программы АБ 4ЛИ-20) представлен в таблице 4.

Таблица 4 характеристики ЛИА

В соответствие с имеющимися данными можно сделать следующие выводы по ресурсным характеристикам в режимах НОО ЛИА фирмы SAFT:

1) ЛИА фирмы SAFT квалифицированы на 7-летний САС в условиях НОО при глубинах разряда: гарантированно - при ГР ? 20 % , и, с некоторыми замечаниями, при ГР ? 30 %.

2) Испытания ЛИА при глубинах разряда свыше 30 % отличает кратное (фатальное) ускорение темпа деградации электрических характеристик.

3) Методология испытаний ресурсных характеристик ЛИА фирмы SAFT представляется достаточно мягкой: использование плавно падающего тока при заряде, фактически максимальные длительности заряда и разряда (85 минут в случае теста при глубине разряда 30 % - максимально благоприятные условия для достаточно узкого круга НОО).

Ввиду более позднего старта работ и наличия в своем заделе никель-водородных АБ рекордных характеристик ОАО “Сатурн” не обладает объемом отработки ЛИА в режимах НОО сопоставимым с SAFT.

Тем не менее, анализ уже имеющихся результатов ресурсных испытаний согласуется с данными фирмы SAFT представленными выше (с поправкой на более жесткую методологию проведенных ресурсных испытаний в условиях ОАО “Сатурн”) и позволяют сделать вывод о том, что для глубин разряда 10…25% циклический ресурс ЛИА является практически неограниченным. Для более надежного подтверждения этого вывода необходимо проведение испытаний в условиях ОАО “Сатурн” с учетом общепринятой в мировой практике методологии заряда.

Такие испытания начаты в рамках двух программ разработки АБ для КА НОО.

К настоящему моменту времени завершена наземно-экспериментальная отработка в полном согласованном объеме для двух образцов ЛИАБ для НОО (12ЛИ-48 и 4ЛИ-20). Летная эксплуатации первых батарей (АБ 4ЛИ-20) в составе штатных систем электропитания КА НОО начата в декабре 2013 года.

Критические результаты наземно-экспериментальной отработки и летной квалификации

При наземно-экспериментальной отработке и летной квалификации ЛИАБ для НОО как ключевыми была определены следующие проблемы:

1) Алгоритмы работы устройства выравнивания и задействования байпасных элементов (БЭ) при эксплуатации КА на орбите;

2) Достаточно жесткие ограничения по уровню зарядных токов (в зависимости от температуры ЛИА и глубины разряда).

Вопросы выравнивания и задействования БЭ являются критическими ввиду резко ограниченных возможностей по связи с КА, эксплуатирующихся на НОО и в силу того, что предприятие ОАО “Сатурн” зачастую само является непосредственным разработчиком устройств выравнивания, требующим согласования алгоритма включения/отключения с бортовой автоматикой СЭП КА.

Путем решения указанной проблемы является регламентное включение устройства выравнивания в процессе эксплуатации КА за счет:

- использования топологии АБ с применением пакетов из параллельно соединенных аккумуляторов при минимальных разбежках по уровню саморазряда между пакетами (менее 0,05 % в сутки);

- стабильности ресурсных характеристик комплекта аккумуляторов (близкий темп деградации);

Задействование БЭ являет собой самостоятельную комплексную проблему для КА НОО (с учетом согласованности работы с УВ) и в настоящий момент времени по опыту работ ОАО “Сатурн”, не имеет однозначного решения.

Ограничение по уровню зарядных токов является объективной характеристикой принятой конструкции электрохимической группы и является определяющим при ограничении допустимой глубины разряда циклического ресурса.

Общий путь решения указанной проблемы непосредственно связаны с дальнейшим наращиванием характеристик ЛИА для НОО.

Дальнейшие пути наращивания характеристик

В табл. 1 представлены значения интегрального критерия совершенства ЛИА (и АБ на их основе) - реализуемой удельной энергии в цикле. Для НОО при длительности цикла 30…36 минут эта величина достигает 45 Вт·ч/кг для ЛИА и 40 Вт·ч/кг для АБ.

Дальнейшее наращивание указанных характеристик за счет использования перспективных материалов для ЛИА с удельной энергией 250 Вт·ч/кг в настоящий момент не предполагается. Это связано с тем, что циклические нагрузки на НОО кратно превосходят нагрузки на ГСО (ВЭО) и более чувствительны к перенапряжениям в аккумуляторе (электрохимическим и механическим). Указанные причины подтверждаются опытом разработки и квалификации никель-водородных АБ, где окисно-никелевые электроды с более высокой плотностью активного вещества (КА “Глонасс”, “Луч”, “Лабиринт” и т.д.) не полагается использовать на НОО.

Другими словами повышение реализуемой удельной энергии ведется в направление увеличения допустимой глубины разряда для традиционных (применяемых в ЛИА ОАО “Сатурн”) материалов ЭХГр.

Механизм ускорения темпа деградации ЛИА в режимах НОО для глубин разряда более 30…35 % принципиально понятен и существуют обоснованные предпосылки для повышения глубины разряда до величины не менее 40 % с повышением реализуемой удельной энергии ЛИА до 60 Вт·ч/кг.

Основное направление при решении указанной задачи - снижение электрохимических (механических) перенапряжений в ЭХГр аккумулятора. Исходя из этого вытекает необходимость следующих работ:

1. Оптимизация конструкции ЭХГр аккумулятора (более тонкие электроды, оптимизация пористости и т.д.).

2. Совершенствование имеющихся материалов ЭХГр аккумулятора в части снижения их электрохимического сопротивления.

3. Оптимизация механических характеристик электродов.

По перспективам ЛИА для НОО, можно сделать следующие выводы:

- пути решения задачи повышения реализуемой удельной энергии до величины 60 Вт·ч/кг при САС длительностью не менее 7 лет (~ 40 000 циклов) принципиально ясны и понятны;

- основной проблемой решения поставленной задачи является значительный объем требуемых материальных ресурсов. Это связано с тем, что испытания в режимах НОО фактически не подлежат ускорению и относительно внятные подтверждения (выводы) при циклировании перспективного варианта ЛИА могут быть получены только через год-полтора после начала испытаний.

Выводы

1) Предприятием ОАО «Сатурн» осуществлена разработка, наземно-экспериментальная отработка в полном объеме и летная квалификация ЛИАБ для эксплуатации на ГСО (ВЭО). Успешно проведены полная отработка циклического ресурса, циклического ресурса после воздействия ИИКП, испытания на сохраняемость и другие виды испытаний.

2) Предприятием ОАО «Сатурн» осуществлена разработка, наземно-экспериментальная отработка в полном объеме и начата летная квалификация ЛИАБ для эксплуатации на НОО. Работы по отработке циклического ресурса ЛИА продолжаются.

3) Аккумуляторные батареи ОАО “Сатурн” оснащены байпасными элементами, а ряде случаев - устройствами выравнивания собственной разработки. Для иностранного заказчика выполнена разработка и поставка полноценного модуля контроля и управления ЛИАБ (в составе батарей)

4) Интеллектуальная, испытательная и производственная база ОАО «Сатурн» позволяет реализовать разработку и квалификацию усовершенствованных ЛИА для эксплуатации на ГСО (ВЭО) и НОО.

Разработка ЭХГр для аккумуляторов ГСО с удельными характеристиками уровнем 250 Вт·ч/кг уже ведется и находится на стадии испытаний в макетах аккумуляторов. Работы по аккумуляторам для НОО также ведутся, но ограничиваются материальными возможностями предприятия. Запланированный срок квалификации перспективных аккумуляторов - 2015 - 2017 гг.

Размещено на Allbest.ru