能上天的电池，都是什么电池？

　　机器人航天器一般被派往太阳系中一些条件最恶劣的地方去探索人类无法到达的地方。这些航天器依靠电力系统使它们能够在极端环境工作，并通过地球上工作团队仅定期和延迟的输入来执行其推进科学知识的使命。这种航天器上的所有组件都经过设计和测试，可以在服务期内遇到的环境中生存，而电池（通常是最敏感的组件之一）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，在发射期间）和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）时使用，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。持续时间较短的任务可以使用一次电池。近日，美国宇航局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的John-Paul Jones等人聚焦于该实验室执行的航天飞行器任务中的电池，重点阐述了过去、现在以及未来任务中航天器电池的设计理念和功能需求，为新型航天器电池的开发提供了重要思路。
　　【内容表述】过去和现在的使命
　　表1. 过去、现在、未来和任务概念中能源存储系统的例子
　　（a）NASA尚未选择概念任务进行飞行；他们代表着未来可能的任务，但无具体的任务要求。AFT和寿命值代表着设计目标。（b）允许的飞行温度。（c）LLISSE是由美国宇航局格伦研究中心领导的任务概念。
　　任务要求可以用于定义与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、质量/体积、任务持续时间（以及二次电池的循环寿命）、辐射耐受性、冲击/振动耐受性和除气性。电池交付任务的成本和时间也在电池化学选择和电池设计中发挥重要作用。通常，某些要求是很重要的，因为它们决定了电池的尺寸或化学成分以用于特定的任务。有时，这些要求也非常极端，以至于迫使新的电池化学发展以满足任务要求。表1对过去、现在和未来各种喷气推进实验室任务和任务概念对电池系统的要求进行了描述。
　　例如，深空2号（DS2）中所用的Li/SOCl2原电池使用了一种在零下80  下工作的改性阴极电解液，以及一种能够承受探测器撞击火星表面期间预期的 80000 g冲击力的改进电池盒。一次电池为这次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，特别是对于具有有限寿命，无电源的探测器。推动新电池开发的任务要求的另一个例子是火星探测车（MER）任务，该任务使用由定制的低温电解质制造的锂离子电池，能够在-20   下运行（图1C）。一旦开发出低温锂离子电池等技术并证实可以用于飞行器，电池通常会尽可能重复使用。但是，开发可用于飞行器中的新型电池的成本和风险很高，新任务应尽可能地降低成本和风险。这就是用于MER的低温电池化学，它随后在凤凰号、火星科学实验室（MSL）、朱诺号、重力恢复与内部实验室（GRAIL）和火星大气与挥发性演化（MAVEN）上飞行。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可在-20  下持续运行（从而降低了任务的风险）。Mars 2020（M2020）Perseverance Rover电池（图1A）使用了与MER相同的电解质，但由于传统电极材料过时而使用了新的电极。
　　为极端环境设计使用的电池具有专用的热管理系统，以保持模块在允许飞行温度（AFT）范围内，就MER电池而言，包括气凝胶绝缘、两个放射性同位素加热器单元（RHUs）和生存加热器。MSL和M2020有一个泵热循环回路，使用来自RTG的废弃热功率。与高温环境相比，这在低温环境中更容易实现，这可能需要对电池化学成分进行大量的再设计。
　　对于需要锂离子电池的计划或正在开发中的任务，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。这种方法利用现代电池设计和制造技术，并最大限度地减少电池间的差异，以达到通常不需要的电池平衡程度。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中使用了12个松下NCR18650B电池。＂Ingenuity＂号（火星直升机）也利用了这种方法，使用了6个索尼VTC4电池（图1B）来实现在另一个星球上的首次飞行。这种方法的缺点是电池化学成分可能会在没有警告的情况下发生变化（需要对未来的任务进行重新认证），并且对电池进行修改非常困难，因为供应商将大规模生产更改为小规模的定制生产运行并不划算。
　　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/飞行任务期内，电池会经历更窄的温度范围，即0  到30  。这是一项利用COTS电池设计方法的任务，并在经历大量的评估测试后选择了LGMJ118650电池。
　　图1. JPL任务中的电池示例。（A）M2020的电池组件。（B）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。实现未来的任务理念
　　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，这里只能展现几个任务概念。确定NASA感兴趣的目的地以及可能的任务最佳地点之一是行星科学十年调查。这些文件包含来自行星科学界对NASA任务优先事项的指导，他们经常强调哪些任务需要进一步的技术开发。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。2023~2032十年期的调查即将发布，将为NASA未来十年的任务提供指导。
　　Europa Lander概念车（图2）以一个大型的（~100公斤）Li/CFx（X 1.0）一次电池为基准。一次电池是这项任务的最佳设计选择，因为这颗木星的卫星离太阳如此之远（平均距离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非常大才能为着陆器提供动力。此外，木星卫星周围严酷的持续辐射环境意味着着陆器的电子设备只能存活几周，这使得它在未来几十年里都不太可能作为RTG的电源。虽然可以增加额外的屏蔽以耐辐射，但质量限制排除了这种情况。对于这个任务概念，最大任务持续时间的最小质量的目标驱使电池化学选择Li/CFx，它在可用一次电池的电池水平中有着已证明的最高比能量（~700 Wh/kg），但在高比能量的COTS电池中不是最高的。Europa的表面非常寒冷(~-170  )；然而，通过使用隔热材料和航空电子设备产生的余热，除了可以利用Li/CFx电池产生的热量（Li/CFx电池中的45%的能量在放电时作为热量释放），电池的工作温度可以保持在0  以上。
　　图2. 一个设想的Europa Lander概念车，将~100 kg的Li/CFx一次电池放置在主体外，分成四个独立的电池组。
　　火星或月球表面，以及金星和冰冷卫星的任务需要航天器来承受极端温度；在金星的情况下，这也包括高压。对这些任务来说通常还需要自定义单元。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使得其产生的热量不能用散热器轻易去除。NASA协作自主分布式机器人探测器（CADRE）上的电池目前被设计为在-20  到75  的温度范围内运行。为了实现如此宽的温度范围，Saft MP-xtd锂离子电池已被基准化，具有可从-30  到+85  运行的工作能力（充放电）。结合适当的热管理，锂离子电池这种扩大的的温度范围（图1D）将使漫游车一天中的大部分时间（至少200小时）探索月球表面。在月球中接近两极的永久阴影区（PSRs）内源性，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 kg）将月球被永久遮挡区域中的运行时间限制到约6 h。如果能在两次充电之间留出几天的时间，就能让飞行器有更久的时间进入这些黑暗区域，从而获得更大的科学回报，这是任务设计者们非常希望看到的。组装级别的目标已设定为>250 Wh/kg，而当前的实践设计水平为<150 Wh/kg。
　　金星在大气压为92 atm下的表面温度接近恒定约462  。现有的电池设计即使具有显著的绝缘性和相变材料，也无法在这样的温度下生存，这也将着陆器的使用寿命限制到约2 h。为了使长寿命的金星表面着陆器取得成功，必须确定新的电源。一种这样的候选技术是热电池，其变体已被用于过去任务中的关键操作，并且在超过350  的内部温度下工作。尽管标准热电池可以在所需的金星温度下运行，但由于电解液泄漏和随后的电池串扰，它们的设计将运行时间限制在几个小时内，因此该小组和Eagle-Picher科技公司进行了长寿命熔融盐电池的开发。虽然实验室电池在循环时可以存活100天，但自放电将一次性使用期限限制为约25天。
　　尽管金星表面的环境对所有航天器系统来说都是极具挑战性的，但金星的上层大气则较为温和。温度从海拔45到65公里范围内从110  到-30  变化，这可以通过修改现有的储能技术来获取支持。这种方法为未来的金星飞行器设计提供了参考。虽然使用现有的锂离子电池可以达到低温极限，但目前还不能突破高温/低空的限制。为了实现这一应用，对现有电池进行了改进，如Saft MPxtd航天器锂离子电池，以扩大可达到的温度范围。识别和设计太空飞行器电池
　　飞行器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。有些要求是相互关联的；例如，电池的循环寿命通常与它的温度和功率曲线直接相关。为了降低任务的风险和成本，人们总是希望尽可能地考虑使用经过飞行验证的＂传统＂电池化学和设计。然而，由于任务要求有可能在设计周期中改变，保持相同的电源通常是不可行的，而且新的电池化学成分必须经过飞行使用验证。电池的性能在要求中列出的最苛刻条件下同时进行评估。例如，如果电池必须在温度低至-30  和高达C/2放电速率下运行，那么其容量是在高于C/2放电速率和<-30  的温度下确定的，而不考虑其要求范围内的任何更良性的条件。在任务的各个阶段（即验收测试、集成、巡航、任务作业等）之后，还必须使用降额来估计电池的性能，以确保电池在任务的所有阶段（特别是结束阶段）仍有足够的电量。在设计电源系统时，需权衡电池尺寸以满足这样如此严格的要求，而不是保持一个较小的电池加热器以产生更多的能量。理解这些需求以及它们之间的关系是为给定任务概念确定正确电池的关键。
　　在任务从概念到飞行的开发过程中，需求是不断变化的。随着这一发展的不断推进，电力系统的利润也在不断提高，以确保最终产品能够满足其目标。这些余量在开发过程中会有所不同，但一般来说，特定组件（在本例中是电池）必须提供比所需更多的能量和功率，或在更宽的温度窗口内运行。由于存在这些余量，航天器上的电池系统相对于其他不太重要的应用而言通常尺寸过大。因此，宁愿有一个稍微大一点的电池，而不是因为太小而失去整个任务。如前所述，充足的电池模块热设计对于支持极端环境下的可靠运行至关重要，可包括使用绝缘、生存加热器、RHUs、泵热回路和热开关，以保持电池在AFTs内。虽然这些热控制至关重要，但扩展电池的工作能力可以实现已经耗尽了现有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，这些数据可以试图回答一些关于宇宙最有趣的问题，但前提是驱动它们的动力系统可以在这些环境工作。现代机器人任务应尽可能使用传统的电池设计，因为其有已被认可的可靠性水平、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而保留的。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，这可以使用已验证的技术来实现，但有时条件非常极端，以至于独特的电池解决方案必须经过设计、制造和测试。使用新电池技术的额外风险意味着它必须经过大量的测试和验证，超出任务期间预期的极限。电池技术专家面临的主要挑战是，将快速发展的电池技术转化为高度动态的任务概念，往往具有激进性的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远远超过了增加的风险，因此，能够使新任务类型到达新目的地的新电池化学可以引起人们的极大兴趣。
　　John-Paul Jones*, Marshall C. Smart, Frederick C. Krause, William C. West, and Erik J. Brandon, Batteries for robotic spacecraft, Joule, 2022. https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.004