NASA重磅Joule：如何打造一颗冲向外太空的电池？

天目湖储能学堂 2022-06-18

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作者：加州理工学院电化学专家John-Paul Jones博士

前言

机器人宇宙飞船被派往太阳系中一些最荒凉的地方去探索人类无法探索的地方。这些航天器依靠电力系统使它们能够在极端环境中运行，通过来自地球运营团队的延迟且仅定期输入的信息来执行推进科学知识的任务。此类航天器上的所有组件都经过设计和测试，可以在服务期间遇到的环境中生存，并且电池（通常是最敏感的组件之一）还必须在任务过程中提供电力。需要在太空中长时间运行的电源通常限于光伏(PV)太阳能电池阵列或放射性同位素热电发电机(RTG)，它们通常与二次电池或电容器一起使用。这些储能设备可以在电源不可用的任务阶段（例如发射期间）使用，以满足超过太阳能电池阵列或RTG能力（负载均衡）的峰值功率需求，并且对于使用光伏的任务，当太阳能不可用（例如日食期间和晚上）。较短持续时间的任务可以使用原电池。本评论将重点介绍用于美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)完成航天任务的机器人的电池。

当前和过去的任务

a) NASA尚未选择概念任务进行飞行；它们代表未来可能的任务，没有明确的任务要求。AFT和生命周期价值代表设计目标；b) 允许飞行温度；c) LLISSE是由美国宇航局格伦研究中心领导的任务概念。

任务要求用于定义允许航天器运行的其他系统相关的电池所需的能力。这些要求包括温度范围、功率/能量能力、质量/体积、任务持续时间（和二次电池的循环寿命）、辐射耐受性、冲击/振动耐受性和除气。将电池交付任务的成本和时间也可能在电池化学成分选择和电池设计中发挥重要作用。通常，某些要求会成为“驱动”，因为它们决定了给定任务的电池尺寸或化学成分。有时，这些要求非常极端，以至于它们迫使新的电池化学开发以满足任务要求。表1对过去、现在和未来各种JPL任务和任务概念对电池系统的要求进行了高级描述。例如，深空2号(DS2)中使用的Li/SOCl2原电池使用了一种在80℃下工作的改进型阴极电解液，以及一种能够承受探测器撞击火星表面期间预期的80,000克力的改进型电池外壳。一次电池为这项任务提供了最多的能量，因为没有其他电源可以为二次电池充电。一次电池系统的简单性通常很有吸引力，特别是对于寿命有限且没有电源的小型探测器。另一个推动新电池开发的任务要求示例是火星探索漫游者(MER)任务，该任务使用锂离子(Li-ion)电池采用定制的低温电解质制造，可在-20℃下运行（图1C）。一旦开发出诸如低温锂离子电池之类的技术并进行了飞行演示，它通常会尽可能地重复使用。开发用于飞行的新电池的成本和风险很高，新任务尽可能地降低成本和风险。用于MER的低温电池化学就是这种情况，它继续飞行凤凰城、火星科学实验室(MSL)、朱诺号、重力回收和内部实验室(GRAIL)以及火星大气和挥发性演化(MAVEN)。这些任务都能够表明电池在MER上的成功以及在任务开发过程中在低至-20℃的情况下持续运行（从而降低了任务的风险）。Mars 2020 (M2020) Perseverance Rover电池（图1A）使用与MER相同的电解质，但由于传统电极材料的过时而采用了新电极。

图1.JPL任务中的电池和电池示例。a)M2020的电池组件；b)来自火星直升机的电池；c)MER、Phoenix和MSL/M2020的单个锂离子电池（从左到右）；d)CADRE流动站电池概念的计算机生成图像。

专为在极端环境中使用而设计的电池具有专用的热管理系统，可将模块保持在允许的飞行温度(AFT)范围内，对于MER电池，该系统包括气凝胶绝缘、两个放射性同位素加热器单元(RHU)和生存加热器.MSL和M2020有一个泵浦热回路，用于拒绝来自RTG的热功率。与高温环境相比，低温环境更容易实现这一点，这可能需要对电池化学成分进行大量重新设计。

对于需要锂离子电池的计划或正在开发的任务，已经从使用主要为航空航天任务设计的电池转向使用18650圆柱形电池格式的商用现货(COTS)电池。这种方法利用了现代电池设计和制造技术，并将电池间的差异最小化到通常不需要电池平衡的程度。电池模块结合了设计功能，可为电池提供足够的热保护和机械保护。第一个使用COTS电池的JPL深空任务是2018年的MarCO CubeSats，每个CubeSat使用了12个Panasonic NCR 18650B电池。Ingenuity（火星直升机）也利用这种方法通过使用6个SonyVTC4电池（图1B）实现了在另一个星球上的首次飞行。这种方法的缺点是电池化学可能会在没有警告的情况下发生变化（需要重新认证以备将来使用）任务），并且对单元的修改非常困难，因为对于供应商来说，为非常小的定制制造运行改变大规模生产并不具有成本效益。

任务温度曲线是选择电池化学成分时的主要考虑因素。电池实际经历的温度将根据任务的目的地以及航天器的热设计而发生巨大变化。当任务温度分布更加温和时-例如，在像Europa Clipper这样的轨道/飞越任务期间，电池会经历更窄的温度范围，即0°C至30°C。这是一项利用COTS电池设计方法的任务，并在经过广泛的评估和测试活动后选择了LGMJ118650电池。

实现未来任务概念

新的任务概念不断被开发出来，其中许多需要定制的储能解决方案，我们在这里只能展示几个任务概念。确定NASA感兴趣的目的地以及可能的任务场景的最佳地点之一是行星科学十年调查。这些文件包含行星科学界对NASA的任务优先级指导，它们经常强调哪些任务需要进一步技术开发。一旦将这些指导方针发展为更详细的任务概念，就可以将任务需求转化为高级电池要求。2023-2032十年调查的发布迫在眉睫，将为NASA未来十年的任务提供指导。

图2.一个名义上的Europa Lander概念，将100公斤的Li/CFX原电池放置在主体外部，分成四个独立的电池组。

Europa Lander概念（图2）以大型(100kg)Li/CFX(Xz1.0)原电池为基准。一次电池代表了这项任务的最佳设计选择，因为木星的这个卫星离太阳很远（平均距离为7.8亿公里），因此太阳辐照度极低，这意味着太阳能电池板需要大到令人望而却步。此外，木星卫星周围恶劣的持续辐射环境意味着着陆器的电子设备只能存活数周，使其不适合作为数十年的RTG电源。

尽管可以添加额外的屏蔽以提高辐射耐受性，但在这种情况下，质量限制将其排除在外。对于这个任务概念，最大任务持续时间的最小质量目标推动了电池化学选择向Li/CFX，它在可用原电池的电池水平(700Wh/kg)上具有最高的已证明比能量。Europa表面极冷（-170℃）；然而，通过使用航空电子设备的绝缘和废热，除了可以利用Li/CFX电池产生的热量（Li/CFx电池中45%的能量在放电过程中以热量的形式释放），电池的工作温度可保持在0℃以上。

前往火星或月球表面、金星和冰冷的卫星的任务需要航天器能够承受极端温度；在金星的情况下，这也包括高压。对这些目标的任务通常还需要定制单元。月球表面的温度可以低至-232℃，最高可达120℃。月球表面的近真空环境在月球日提供了一个挑战，其中产生的热量不能轻易地被散热器带走。NASA的协作式自主分布式机器人探索者(CADRE)月球车上的电池目前被设计为在-20℃至75℃的温度范围内运行。为了实现如此宽的温度范围，Saft MP-xtd锂离子电池已经过基准测试，具有-30℃至85℃（充电和放电）的运行能力。结合适当的热管理，锂离子电池的这种扩大的温度范围（图1D）将使漫游车能够在一天中的大部分时间（至少200小时）探索月球表面。在靠近两极的月球永久阴影区域(PSR)运行，那里有被困的水冰，这与在赤道附近运行是完全不同的挑战。当前的漫游车设计（假设合理的电池质量小于100千克）将月球PSR中的运行时间限制在约6小时。在充电事件之间启用几天的操作将允许更长时间地游览这些黑暗区域，从而获得更大的科学回报，这是任务架构师非常希望的。包装级别的目标已设定为>250Wh/kg，而当前的实践设计为<150Wh/kg。

金星在92倍地球大气压下的表面温度接近恒定，为462℃。现有的电池设计即使使用显着的绝缘和相变材料也无法在这样的温度下生存，从而将着陆器的使用寿命限制为2小时。为了使长寿的金星表面着陆器（如长寿太阳系探索者[LLISSE]）取得成功)，必须确定新的电源。一种这样的候选技术是热电池，其变体已被用于支持过去任务的关键操作，并且在超过350℃的内部温度下运行。虽然标准热电池可以在所需的金星温度下运行，但它们的运行由于电解质泄漏和随后的电池串扰只能运行几个小时，因此我们的小组和Eagle-Picher Technologies公司进行了长寿命熔盐电池的开发。尽管实验室电池已被证明在循环时可以存活超过100天，但自放电限制了时间使用期限为25天运行。

尽管金星表面对所有航天器系统都构成了极具挑战性的环境，但金星的上层大气更为温和。海拔45到65公里的温度范围从110℃到30℃不等，这可以通过修改现有的储能技术来支持。这种方法正在考虑用于未来的VenusAe robot概念。虽然使用现有的锂离子电池可以达到低温极限，但目前还不能满足高温/低海拔极限。对于此应用，我们小组目前正在探索对现有电池的修改，例如Saft MP-xtd航空锂离子电池（与CADRE漫游者相同的电池），以扩大可实现的温度范围。

识别和设计航天电池

飞行电池需要满足广泛的要求，包括温度范围、体积、质量、功率、能量、保质期、循环寿命、辐射、冲击、振动等。其中一些要求是相互关联的；例如，电池的循环寿命通常与其温度和功率曲线直接相关。为了降低任务的风险和成本，总是希望尽可能考虑使用经过飞行验证的“传统”电池化学和设计。然而，由于任务要求在设计周期过程中可能发生变化，因此保持相同的电源通常是不可行的，并且必须验证新的电池化学成分以供飞行使用。同时在要求中列出的最紧张条件下评估电池的能力。例如，如果电池必须在低至-30℃的温度和高达C/2的放电速率下运行，则其容量是在高于C/2的放电速率和<-30℃时确定的，无论任何更良性的条件在其要求范围内。

在任务的各个阶段（即验收测试、集成、巡航、任务操作等）之后，还必须降额来估计电池性能，以确保电池在任务的所有阶段（特别是结束）仍然足够.在设计电源系统时，经常需要权衡电池尺寸以满足如此严格的要求，而不是保持较小的电池加热器以提供更多能量。了解需求以及它们之间的关系是为给定任务概念确定合适电池的关键。

在从概念到飞行的任务开发过程中，交易是在系统级别执行的，因此需求不断变化。虽然这种发展正在推进，但电力系统会产生利润，以确保最终产品能够满足其目标。这些裕度在开发过程中会有所不同，但通常表明特定组件（在这种情况下为电池）必须提供比所需更多的能量和功率，或者在更宽的温度窗口内运行。由于这些裕量，航天器上的电池系统通常相对于其他不太重要的应用来说尺寸过大。宁愿拥有稍大的电池而不是因为电池尺寸过小丢失整个任务。如前所述，足够的电池模块热设计对于支持极端环境中的可靠运行至关重要，可以包括使用绝缘、生存加热器、RHU、泵热回路和热开关以将电池保持在AFT内。虽然这些热控制是必不可少的，但扩展电池的运行能力可以实现已经用尽可用工程解决方案的新任务概念。

结论

机器人航天器可以生成有价值的科学数据，这些数据可以尝试回答有关我们宇宙的一些最有趣的问题，但前提是为其提供动力的系统在其环境中工作。现代机器人任务尽可能利用传统电池设计，因为它们既定的可靠性水平以及较低的成本和开发时间。先进的电池开发是为COTS电池技术不足的任务设计保留的。任务概念的多样性要求动力系统的多样性来满足每个任务的需求。理想情况下，这可以使用经过验证的技术来实现，但有时条件非常极端，必须设计、制造和测试独特的电池解决方案。使用新电池技术的额外风险意味着它必须经过广泛的测试和验证，超出任务期间的预期限制。电池技术专家面临的一个主要挑战是将快速发展的电池技术转移到高度动态的任务概念中，通常具有激进的时间表和有限的开发时间。然而，在新环境中执行任务的好处大大超过了这种增加的风险，因此能引起人们的极大兴趣。

参考文献

John-Paul Jones, Marshall C. Smart, Frederick C. Krause, William C. West, Erik J. Brandon,

Batteries for robotic spacecraft,Joule,2022,ISSN 2542-4351.