锂离子电池在航空领域的安全考虑

锂离子电池在航空领域的安全考虑

       一架新飞机上的两起电池事故暗示了设计缺陷，波音公司必须意识到，作为主电池的锂离子电池可能不如镍镉和铅酸系统那么容易理解。

       航空有一些最严格的要求，这在为机载功能引入新的电池化学物质时带来了挑战。让我们更详细地看看这些条件。

       一个带有负面报道的安全漏洞可能会让公众反对现有的飞机。

       索尼在解释 2006 年涉及 600 万个锂离子电池组的召回事件时说，在极少数情况下，微小的金属颗粒可能会与锂离子电池中的其他部件接触，从而导致短路。电池制造商试图尽量减少此类颗粒的存在，但承认消除所有金属粉尘几乎是不可能的。具有仅 20–25µm 超薄隔板的电池比 Ah 额定值较低的旧设计更容易受到杂质的影响。当发生电气短路时，温度会迅速达到 500°C (932°F)，从而导致热失控。据报道，波音 787 上发生故障的电池温度已达到 260°C（500°F），该温度会导致热失控。

       在热失控期间，故障电池的升高的热量可能传播到相邻的电池，导致它们也变得热不稳定。这似乎发生在波音 787 电池上。当每个细胞按照自己的时间表分解时，就会发生连锁反应。锂离子电池可能会在几秒钟或几小时内分解，因为每个电池都会自行消耗。为了提高安全性，电池应包括隔板，以防止故障电池扩散到相邻电池。（使用锂钴的 Tesla Roadster 将每个电池封装在自己的金属隔间中。）

       燃烧的锂离子电池很难扑灭。用水冲洗可能无效，需要使用特殊化学品。如果可能，将燃烧的电池从易燃材料中取出，将其放在空旷的地方并用水冷却周围区域。这对于燃烧的飞机电池是不可能的，FAA 可能要求允许锂离子电池在飞机上燃烧而不造成损坏。遏制热事件需要防火防爆电池外壳，电池制造商正在研究此类模型。

       据一家大型锂离子电池制造商称，大约每 4 到 500 万个下线电池单元中就有一个会随机发生现场故障。目前的技术已接近使用传统金属氧化物的比能量的理论极限，电池制造商正在改进方法以提高安全性和延长寿命。但问题仍然存在，因为在极少数情况下，电池内部会发生短路。这在 B-787 电池上是可疑的。

       轻微的短路只会导致自放电升高，并且热量积聚很小。然而，如果有足够多的微小金属颗粒聚集在一个点上，随着时间的推移，电极之间会产生相当大的电流，并且该区域会升温，从而造成进一步的损坏。不均匀的分离器也会引发电池故障。干点导致的导电性差会增加电阻，从而产生局部热点，从而削弱隔膜的完整性。

       性能体现在酷暑和冰冻温度下的动力输送。（一些锂离子电池可充电至 –10°C (14°F)，但充电速率较低。）锂离子在低温下的性能不如 NiCd。虽然 NiCd 在寒冷时可以接受缓慢充电，但锂离子电池不应在冰点以下充电。仅允许在 5 至 45°C（41 至 113°F）的温度范围内进行快速充电。尽管锂离子似乎在充电，但在低温充电过程中，阳极上可能会出现金属锂镀层。如果暴露在振动或其他压力条件下，受冷充电影响的电池更容易发生故障。

       比能量表明电池可以存储多少能量。与镍基和铅基系统相比，锂离子电池在重量和尺寸上可以容纳更多的能量，但是，用于航空（和其他工业应用）的锂离子电池针对安全性和寿命而非容量进行了优化。这反映在比消费品低的比能量上。此外，B-787 将 LVP10 充电至仅 4.025V/cell，而不是传统的 4.20V。这延长了电池寿命，但将容量从指定的 100% 降低到大约 75%。卫星和电力传动系统中的锂离子电池通过避免完全充电和限制深度放电来使用类似的做法。

       当电池芯出现故障时，就像两个故障的 B-787 电池组一样，外围安全电路的作用有限；它们仅保护电池免受外界干扰。一旦进入热失控状态，无论是充电器还是保护电路都无法阻止事件发生；唯一的容器可以是保护性电池外壳的形式。

       寿命反映了受环境条件和使用模式影响的循环计数和寿命。这包括温度、放电深度和负载电流。浅放电优于完整循环，缓慢的三小时充电优于快速充电，但最重要的是电池应保持凉爽。衰老主要表现为能力丧失；容量是大多数电池的主要健康指标。

       热量是电池的敌人；将锂离子电池保持在充满电的状态会进一步增加压力。最坏的情况是在高温下保持充满电的锂离子。估算了铅酸、镍基和锂离子电池在不同温度下储存一年后的可恢复容量。

       众所周知，BMS 会随着时间的推移而失去准确性。锂离子不需要像镍镉那样的深度放电循环来反转记忆；但是，建议偶尔深度放电作为校准电池管理系统 (BMS) 的学习周期。

       根据前面的表 1，为 B-787 选择的钴酸锂只能处理 1C，而锂锰和 NMC 可以提供 10C 的放电电流和 35C 的磷酸锂；比他们的额定 Ah 高 10 倍和 35 倍。比功率表明了为电气负载提供电流的能力。这些系统具有低内阻，运行温度低于钴酸锂。

       制造锂离子电池的成本高于镍镉电池；最经济的电池是铅酸电池。材料成本并不是成本较高的唯一原因；复杂的装配程序推高了价格。电池市场曾预测锂离子电池价格会下降，但这尚未成为现实。所有锂离子电池都需要保护电路以确保安全和长寿命，这进一步增加了成本。

       低容量也可用于确定老化锂离子电池的寿命终止，但安全问题可能需要更早更换。提出的问题是：“何时应更换电池以满足规定的安全性？” 当容量下降到给定阈值以下时，航空电子设备中的镍镉电池就会报废。实验室压力测试可能无法准确揭示这一点，但现场使用可以。

       如果这是真的，保护电路将保护电池免受可能的过压和负载条件的影响。随着电池起火调查的继续，出现了接线不当的阴谋，这种可能性很小。

       不正确的充电是另一个嫌疑犯。怀疑锂离子电池充满电后一直处于涓流充电状态。锂离子不能吸收过充电，充满电后必须切断充电电流。持续的涓流充电（维持充电）可能会导致金属锂电镀，从而导致短路。为减少压力，锂离子电池在充满电后应略低于 100% 充电状态。当电量下降到 80% 到 90% 时，可以进行充电。