航空蓄电池的发展浅析

航空蓄电池的发展浅析

孙之洋

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市 710089

摘要：随着航空业的发展，航空蓄电池从早期飞机的主电源逐渐变为飞机的应急电源，但蓄电池的重要作用从未改变，各先进航空企业对蓄电池的要求逐步提高，蓄电池也从早期的铅酸电池发展为锂离子电池。本文对航空蓄电池的发展历程进行简述，并对各型电池的基本结构、工作机理、自身特性进行总结。

关键词：蓄电池；铅酸；镍镉；锂离子

0 引言

航空蓄电池，是任何飞机必须配套安装的最基本的应急直流电源。当飞机在飞行过程中主发电系统及辅助发电系统均失效后，蓄电池为各重要设备维持至少30min的直流应急供电，保障飞机可以紧急着陆，以保证飞机及人员安全。伴随着航空业的飞速发展，设备用电量的不断提升，这30min的应急供电需求指标也逐步提高，铅酸蓄电池的黯然退场、碱性蓄电池的广泛应用、锂离子电池的悄然兴起，就是航空业不断发展的见证及缩影。

1 铅酸蓄电池的黯然退场

铅酸蓄电池是目前市面上最常见的一种蓄电池，它由法国物理学家普兰特于1859年发明。在经历了近150年的发展迭代后，铅酸蓄电池的性能在各方面也得到了长足进步。以飞机上最常用的铅酸蓄电池为例，由12个额定电压为2.1V单体电池串联组成，每个单体由正负极板、电解液、隔板、排气栓和电池槽等部件构成。单体电池的极板由铅-锑合金栅架组成，采用疏松孔状结构设计，确保电解液充分渗透，促进活性物质与电解液充分发生化学反应。极板之间较小的隔隙，也有效减小了单体电池的内阻。正极板上涂覆二氧化铅（PbO₂），负极板上涂覆金属铅（Pb），二氧化铅和金属铅均是活性物质，极易发生化学反应。稀硫酸电解液常温（25℃）密度为1.280～1.300g/cm³，较高的密度，减轻了蓄电池自身的重量。

当蓄电池向负载供电时，单体电池开始发生化学反应，如下图1所示：

图1 铅酸蓄电池供电原理图

电 解液中的H₂SO₄电离成氢离子（H⁺）和硫酸根离子（SO₄^2-）。在负极板上，活性物质Pb电离为Pb²⁺和电子e，Pb²⁺和硫酸根离子相结合形成硫酸铅PbSO₄沉积于负极板表面。电子由负极板传输至正极板,使PbO₂电离为Pb²⁺和O^2-，其中O^2-和电解液中的H⁺生成水（H₂O），Pb²⁺和电解液中的SO₄^2-生成PbSO₄沉积于正极板表面。当正负极板的活性物全部转化成PbSO₄ 时，电池放电完毕。充电过程是放电的逆过程，正负极板的PbSO₄分别还原为PbO₂和Pb。

充放电过程可概括为：

铅酸蓄电池凭借其低廉的造价、稳定的性能、成熟的技术快速成为早期航空业的宠儿。但铅酸蓄电池同时也有不容忽视的缺点，如：维护注意事项过多，维护时极板硫酸盐化、极板活性物质过量脱落等都会直接影响蓄电池的质量与寿命；能量密度偏低，只有镍镉蓄电池的1/2左右，致使蓄电池体积较大；循环寿命偏短，仅为锂离子电池理论值的1/3。因此伴随着各类蓄电池的快速发展，铅酸蓄电池也逐步退出现代航空领域。

2 碱性蓄电池的广泛应用

第二次工业革命期间，英国人赫勒森发明了最早的碱性电池——干电池，干电池凭借自身携带便利的特点，一经问世便得到广泛应用。1890年，爱迪生发明了可充电的铁镍蓄电池。随后碱性蓄电池得以快速发展，9年后，瑞典人沃尔德玛·尤格尔的镍铬蓄电池横空出世。随着科技的进步，碱性镍镉蓄电池的优点逐步显现，它具备比能大、内阻小、寿命长、耐过充电、维护性好、可长期储存等诸多特性，尤其是放电过程中电压平稳的特点，极其适用于起动发动机等需要大电流放电的情况。因此，碱性镍镉蓄电池快速取代了酸性蓄电池，并在航空领域大放异彩。

镍镉蓄电池一般由20个额定电压为1.2V的单体电池串联组成，每个单体由正负极板、电解液、隔膜、泄气阀等部件构成。正负极板分别涂覆活性物质NiOOH和铬（Cd）。隔膜采用多孔多层的玻璃纸外贴尼龙结构，既可阻隔正负极板，又可防止过充电产生的氧气与负极板的铬发生化学反应引起电池热击穿。氢氧化钾（KOH）电解液的密度为1.24～1.30g/cm³，只传导电荷，不参与化学反应。

部分航空蓄电池内部还装有温度敏感器及温度保护开关，结合蓄电池加温舱配套使用，避免蓄电池因低温放电而产生放电容量不足的现象，当加温到合适温度时，也可及时断开加温线路，确保蓄电池时刻工作在良好状态。

当蓄电池向负载供电时，单体电池开始发生化学反应，如下图2所示：

图2 镍镉蓄电池供电原理图

在 负极板上，活性物质Cd电离为Cd²⁺和电子e。电子由负极板传输至正极板,使NiOOH与水生成Ni(OH)₂和OH^-, OH^-

再与正极板的Cd²⁺生产Cd(OH)₂。充电过程是放电的逆过程，正负极板的Ni(OH)₂及Cd(OH)₂分别还原为NiOOH与Cd。

充放电过程可概括为：

镍镉蓄电池在充放电后需要及时调节电解液密度，避免因过充电或过放电造成水分的电解损耗，从而引起蓄电池容量下降。

为了解决水分损耗问题，部分蓄电池已加装水分重组系统，当水分电解产生的氢气与氧气与水分重组系统内的催化剂接触后，形成蒸馏水回流至电解液中。目前最先进的镍镉蓄电池采用全密封纤维式设计，增加纤维镍极板，过充放电产生气体将被吸收，因此取消了泄气阀，电解液也不会外溢，理论上该种蓄电池不需要进行离位维护，目前已有B777飞机应用纤维式镍镉蓄电池。

3 锂离子电池的悄然兴起

锂离子电池是由单质锂电池发展而来，于20世纪70年代，被英国科学家M.S. Whittingham提出并开始研究。锂离子电池的正负电极均由锂离子及嵌入化合物组成，解决了因锂单质异常活泼易燃烧或爆炸的安全问题。

锂电池结构与镍镉电池相同，由正负电极、电解质以及分隔正负极的隔膜组成，并增加过充、过放限制电路及超温保护电路，避免因过充放电或超温对电池正负极造成永久性损伤。

锂电池的正极由锂离子嵌入化合物组成，主要材料为锂钴氧化物、锂镍氧化物、锂锰氧化物等。电池负极为碳素材料，目前多采用具备层状结构的石墨材料，便于锂离子嵌入其中。

充电时，电势迫使正极的化合物释放锂离子，并使其嵌入负极层状碳素材料中，这一过程称为嵌入。放电时，锂离子从层状碳素材料中析出，这一过程称为脱嵌，析出的锂离子重新和正极化合物结合。电池的充放电过程就是锂离子重复的嵌入和脱嵌过程。以正极材料为锂钴氧化物为例，充放电过程可概括为：

图3 锂离子蓄电池供电原理图

锂离子电池相较碱性蓄电池具备以下优点：比能量高，同重量的锂电池是镍镉电池储能的2倍，是铅酸电池的4倍，目前储能密度可达600W·h/kg；维护便捷，不需要像镍镉电池测量电解液密度、补充蒸馏水或电解液、清洗气塞；自放电率低，约为碱性电池的1/3，维护次数的减少带来了蓄电池更长的使用寿命；电池单体额定电压高，可达到3.6V，是镍镉电池单体电压的三倍，同等目标电压下，大大减小电池单体数目；绿色环保，不含汞、镉、铅等有毒元素。

以上种种优点使得锂离子蓄电池在现代飞机上得到逐步应用，如某些B787飞机已使用法国泰雷兹公司生产的锂离子蓄电池为其提供应急电源。

4 新型蓄电池的探索研究

随着人们对蓄电池性能需求的日益提升，科学家也在不断探索研究新型充电电池，如钠离子电池、氚电池、石墨烯电池等。钠离子电池工作机理与锂离子电池相同，通过不断的脱嵌与嵌入完成电能的释放与储存，但凭借低廉的价格、较高的电导率、无过放电特性等优势，可与锂离子电池相媲美。由于石墨烯独特的多孔网状结构以及原子级的厚度，成为了天生的电极材料，可帮助离子快速的完成电极中的脱嵌与嵌入，使离子的移动几乎不受限制，有效提升了蓄电池的充放电速度，甚至是锂离子电池充电充放电速度的数倍。

5 结束语

相信通过科学家的不断探索，不论是哪种新型电池得以应用，都会为航空应急电源系统的发展带来无限的前景，为重要用电设备提供更充足的电能，为发动机提供更大的起动电流，为地面维护提供更长时效的维护电源，为飞机的新研发展提供更坚实的技术保障。

作者简介：孙之洋（1991-10），男，汉族，籍贯：陕西省渭南市富平县，当前职务：工艺，当前职称：工程师，学历：本科，研究方向：飞机试验

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