锂离子电池相对于镍镉、铅酸等传统电池来说，具有能量密度高，工作电压高，自放电率低，循环寿命长，充放电效率高，工作温度范围宽、环境污染小等优良特点，是现代高性能电池的发展方向，已广泛用于手机、笔记本电脑、电动车等消费领域，同时在民用飞机、空间探测器等航空航天领a域中也拥有广阔的应用前景。文章研究了民用航空锂离子电池的发展、应用以及面临的安全性风险，阐述了民用航空锂离子电池相关的适航和安全标准。 标签：民用航空；锂离子电池；发展；应用
1 锂离子电池简介
锂离子电池是一种二次电池，由正极、负极、隔膜和电解液四部分构成。充电时，锂离子从正极中脱出，在负极中嵌入，放电时，锂离子从负极中脱出，在正极中嵌入，图1给出了锂离子电池结构和充放电原理示意。
图1 锂离子电池结构和充放电原理示意
通过表1中锂离子电池与镍镉电池、铅酸电池性能对比发现，锂离子电池具有能量密度高，工作电压高，自放电率低，循环寿命长，充放电效率高，工作温度范围宽、环境污染小等优良特点，是现代高性能电池的发展方向[1]。
表1 锂离子电池、镍氢电池、铅酸电池性能对比
2 锂离子电池的发展
20世纪70年代埃克森公司的M.S.Whittingham提出并开始研究锂电池，他采用硫化钛做正极材料，金属锂作为负极材料，制成了首个锂电池。经过20余年的研究与发展，1991年索尼公司成功发布首个商用锂离子电池。随着数码产品的广泛使用，锂离子电池以优异的性能得到广泛应用，并逐步向其他应用领域扩展。而最近20年来，研发能量密度更高，循环寿命更更长，安全性更高的大功率高性能锂离子电池一直是是世界高性能二次电池科学技术发展的战略目标。 为了开发出性能更加优异的锂离子电池，研究人员对作为锂离子电池核心和关键的新型储锂材料和电解质材料开展了大量的研究与开发。其中，为了研发电位高、密度大、安全性好、
寿命长等优点的正极材料，层状结构材料、尖晶石结构材料、橄榄石结构材料成为重要的研究方向，研究人员分别发现了层状结构材料LiMO2，尖晶石结构材料LiMn2O4，橄榄石结构材料LiMPO4，以及其他新型结构材料；为了研发容纳更多锂离子，具有较高离子电导率和电子电导率，良好稳定性的负极材料，研究人员重点研究了性能更优的嵌入型负极材料、合金化型负极材料和转化型负极材料或对现有的负极材料进行大幅改性；而对于电解液，为了避免漏液、易燃、易爆等安全性问题，正在向固态电解液方向发展。[2]
3 锂离子电池在民用航空领域的应用
随着锂离子电池新材料的出现和锂离子电池技术和工艺的改进，锂离子电池的性能大幅提升，应用范围也在不断扩展，已经从民用消费领域逐渐扩展到了航空航天领域，特别是大容量高功率锂离子电池在航空领域拥有更广阔的应用前景。
航空领域民用飞机的电源系统主要包括主电源、辅助电源、应急电源和二次电源等。目前，民用飞机大量采用镍镉电池，相比于锂离子电池，具有体积大、重量大、蓄电量和放电电流不足、充电慢等缺点。随着锂离子电池技术成熟和性能提高，高性能大容量锂离子电池既能够满足新一代多电民用飞机的电源需求，同时也减轻了飞机的重量，推动了各民机制造商逐
步将其用于飞机应急照明，驾驶舱语音记录仪，飞行数据记录仪，记录仪独立电源，备用或应急电源，主电源和辅助动力装置电源等机载系统。
波音公司在使用先进的大容量高功率锂离子电池方面较为领先，在其新研的B787型飞机上采用了由法国泰雷兹公司生产的锂离子电池作为主电池及辅助动力装置电池，成为了全球首款在飞机安全关键系统中采用锂离子电池技术的民用运输类飞机。虽然B787飞机于2011年8月26获得了FAA的型号合格证，但是投入商业运行之后一架日航的该型飞机于2013年1月7日在美国波士顿机场发生了辅助动力装置电池起火事故，9天后的1月16日，另外一架全日空的该型飞机又在飞行过程中发生了主电池故障，并紧急降落。事后检查发现两架飞机上均发生了电池短路造成的热失控现象，导致壳体严重损毁，B787飞机因此停飞了长达4个多月。虽然发生电池短路的根本原因尚未确定，波音公司还是改进了其锂离子电池系统的设计，确保B787飞机得以重返蓝天。[3]
空客公司在A380飞机上的应急照明设备中使用了锂离子电池，并且原本计划采用由法国电池制造商Saft公司提供的锂离子电池作为其A350型飞机的启动和备用电源，但由于波音B787飞机锂离子电池起火事故尚无法确定产生安全问题的根本原因，公众及航空公司对于锂离子
电池的安全性加重了怀疑。空客公司经过评估，重新采用了已获得充分验证并广泛使用的镍镉电池。空客公司在A350型飞机上舍弃锂离子电池虽然增加了飞机的重量，但是有效降低了安全风险，保证了项目的顺利开展。空客公司同时也表示将与Saft公司继续开展技术合作，借鉴波音B787飞机电池事故调查结果，研究锂离子电池在航空领域应用的成熟度。相信不久的将来，A350型飞机也将会采用先进的锂离子电池技术。
国际先进飞机制造商波音公司和空客公司在其飞机上使用大容量高功率锂离子电池的经验表明：随着锂离子电池技术的发展，能量密度逐渐增大，电池容量逐渐增加，电池体积和重量也在增加，其散热性和稳定性变差，更易发生热失控现象，安全问题更为突出，已成为制约大容量高功率锂离子电池在航空领域应用发展的最大瓶颈，民用航空锂离子的设计必须遵循相关的适航与工业标准保证其安全性。
4 民用航空锂离子电池安全标准
为了保证安全，在民用飞机上安装锂离子电池必须符合民用飞机相关的适航标准并获得适航当局的批准。中国民航规章第25部《运输类飞机适航标准》第25.1353条[4]规定了安装镍镉电池需要符合的适航要求，但这些适航要求对于锂离子电池来说是不够的。适航当局需要根
据中国民航规章第21部《民用航空产品和零部件合格审定规定》[5]第21.16条的规定，针对在民用飞机上安装锂离子电池这一新颖的设计特点制定相应的专用条件。从FAA于2007年10月17日针对B787飞机上安装锂离子电池颁发的专用条件[6]来看，主要从电池内部温度压力、易爆和有毒气体、可燃液体防火、相邻结构和系统、电池过热、电池过充、电池监控和告警、持续适航文件等方面考虑，制定了9条具体的适航要求，构成了民用航空锂离子电池安全标准的核心内容。
对于如何符合上述专用条件中的适航要求，FAA在总结多年来民用飞机锂离子电池适航审定的经验基础上，于2015年10月15日颁发了咨询通告AC 20-184《飞机充电锂电池和电池系统试验和安装指南》，指导飞机制造商结合自身锂离子电池设计、安装和使用的实际情况，选择适当的审定流程，开展相应的系统安全性分析，并根据RTCA 2010年12月8日发布的DO-160G《机载设备的环境条件和试验程序》、2008年3月13日发布的《充电锂电池最低运行性能标准》以及2013年12月13日发布的DO-347《中小型充电锂电池和电池系统审定试验指南》选择相应的环境条件和试验程序开展相应的设备鉴定试验和功能验证试验。该咨询通告同时还要求民机制造商按照咨询通告AC 20-115C表明锂离子电池系统中软件的安全性，按照咨询通告AC 20-152表明锂离子电池系统中复杂硬件的安全性，按照咨询通告AC 25.856-1
表明可燃液体防火条款的符合性。除此以外，锂离子电池系统还需在设计中考虑增加电池健康监测功能，并最终向航空公司提供锂离子电池相关的持续适航文件[7]。
5 结束语
随着新材料的不断出现，锂离子电池技术将继续发展和成熟，凭借其优越的性能，锂离子电池在民用航空领域的应用将会更为广泛。目前，我国民用航空领域大功率锂离子电池的研究和应用尚处空白，未来在其设计、安装、使用过程中应充分借鉴国外先进飞机制造商和航空锂离子电池制造商的经验，参考航空锂离子电池相关的工业标准，开展具体的试验等工作，表明锂离子电池相关适航规章的符合性，确保民用航空锂离子电池的安全可靠。
参考文献
[1]王海明.锂离子电池的特点及应用[J].电气时代，2004（3）.
[2]闫定金.锂离子电池发展现状及其前景分析[J].航空学报，2014，35（10）.
[3]NTSB， Aircraft Incident Report， Auxiliary Power Unit Battery Fire， Japan Airlines Boeing 787-8， JA829J， Boston， Massachusetts， January 7， 2013.
[4]中国民用航空规章第25部，运输类飞机适航标准[S].2011-11-7.
[5]中国民用航空规章第21部，民用航空产品和零部件合格审定规定[S].2007-4-15.
[6]FAA Special Condition No.25-359-SC， Boeing Model 787-8 Airplane； Lithium Ion Battery Installation， October 11， 2007.
[7]FAA AC 20-184， Guidance on Testing and Installation of Rechargeable Lithium Battery and Battery on Aircraft， October 15， 2015.
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议