小卫星用锂离子电池结构设计及性能研究

摘要

锂离子电池除工作电压高、循环寿命长、比能量高及使用温度范围宽外，还具有体积小、质量轻、可快速充放电、无记忆效应和环境友好等优点，不但满足了小卫星对电源系统越来越高的要求，同时也达到了提高有效载荷、减轻卫星发射质量的目的，从而可以产生明显的技术经济效益，是21世纪发展的理想能源。 本文对航天用锂离子电池及性能进行了研究，主要包括电池的结构设计、充放电性能、安全性能、一致性及循环性能的研究，此外还模拟低轨道地球卫星进行了循环寿命实验及环境模拟实验。 通过对电池充放电性能及倍率性能的评估，最终选择A厂家提供的正极材料LiCoO<,2>，并根据该材料的特性和电池参数设计出电池结构、外壳及密封件，最终完成电池的制备。设计出的电池2C倍率放电的容量保持率为98％；在-10℃、-20℃及-30℃下的放电容量分别为初始容量的97.1％、91.7％及83.3％：在100％；放电深度时比能量达到150Wh/kg：电池以0.5C倍率做循环寿命实验，940次循环后电池容量仍为初始容量的86.6％，电池表现出良好的充放电性能。 电池的过充电压只能达到5.6V，其过充电性能需进一步改进，而电池顺利通过热冲击测试、重物冲击测试及过放电测试，均没有起火或爆炸。电池一致性评估结果表明：在整个充放电过程中，电池电压变化幅度均很小，误差在±0.018V之间，表现出良好的一致性；电池内阻较小，但其一致性有待进一步提高。 用于低轨道地球卫星的单体电池地面模拟实验结果表明：25％DOD时循环次数超过22080周，30％DOD时循环次数超过19480周，40％DOD时循环次数超过11950周，电池放电终止电压不低于3.6V。在整个环境模拟实验过程中，电池没有出现鼓气或漏液现象。120次循环以后电池组电压在25.5V附近并趋于平稳。电池表现出良好的充放电性能和循环性能。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1锂离子电池概况

1 2锂离子电池工作原理及结构

1 2.1反应机理

1.2.2电池结构

1.3锂离子电池电极材料及电解质

1 3.1锂离子电池负极材料

1.3.2锂离子电池正极材料

1.3.3锂离子电池电解质

1.4锂离子动力电池的应用及开发

1.4.1便携式电子产品

1.4.2电动汽车

1.4.3航天领域

1.5本文的研究内容及意义

第2章实验方法

2.1电池制备

2.2锂离子电池性能测试

2.2.1充放电性能测试

2.2.2内阻测试

2.3锂离子电池安全性能测试

2.4模拟LEO循环寿命测试

2.5环境模拟实验

2.6扫描电子显微镜

2.7本章小结

第3章电池设计及其基础性能研究

3.1电池材料选择

3.1.1电池充放电平台特性

3.1.2倍率特性

3.2电池设计

3.2.1设计依据

3.2.2容量计算

3.2.3材料设计

3.2.4电池结构设计

3.3锂离子电池制备工艺研究

3.3.1正负极浆料的配制

3.3.2极片制作过程

3.3.3电池装配工艺

3.3.4化成工艺

3.4电池充放电性能测试

3.4.1充放电制度

3.4.2充放电性能测试

3.4.3倍率放电性能

3.4.4低温放电性能

3.4.5能量特性

3.4.6循环寿命测试

3.5电池安全性能测试

3.5.1过充性能测试

3.5.2短路测试

3.5.3其他测试

3.6电池一致性评估

3.7表面形貌

3.8本章小结

第4章航天用锂离子动力电池性能研究

4.1单体电池性能研究

4.1.1充放电制度

4.1.2充放电性能测试

4.1 3循环寿命测试

4.1.4环境模拟实验

4.2电池组性能研究

4.2.1充放电性能测试

4.2.2电池组循环寿命测试

4.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢