SSB蓄电池波音787电池问题的可能解决方案

在不到10万飞行小时后，波音787梦想客机的两块主电池发生故障。这与波音公司在认证过程中关于新型锂离子电池每1000万飞行小时才会发生一次冒烟事件的估计相矛盾。发生的不仅仅是冒烟事件，其中一块电池在热失控中解体，引发火灾并喷射电解液，导致电子舱受损（图1）。美国联邦航空管理局（FAA）因此停飞了整个波音787机队。

图片由美国国家运输安全委员会提供，关于2013年1月7日日本航空B-787客机电池起火事件的调查更新。

波音选择锂离子电池是为了在相同重量下储存更多容量。主电池由八个GS Yuasa LVP10电池单元组成，与其它飞机使用的传统液态镍镉（NiCd）电池相比，其能量密度大约是后者的两倍。梦想客机需要额外的容量来运行额外的电气系统，包括已实现电气化的液压功能。选择锂离子电池的另一个原因是其维护成本低。与需要定期完全放电以消除记忆效应、调整电解液和清理腐蚀积聚的镍镉电池相比，锂离子电池所需的定期维护更少。

波音787是第一款将锂离子电池作为主电池的商用飞机，这伴随着一定的风险。混合动力汽车直到2010年左右才开始使用锂离子电池，且采用了更稳定的化学配方。当2005年选择锂离子电池时，可选范围有限，而如今我们所知的，当时选中的钴酸锂（LiCoC2）可能不是机载航空的最佳技术。这与2006年导致笔记本电脑和手机电池大规模召回的化学原理相同，当时每20万个电池单元中就有一个引发了故障。

对B-787故障主电池进行的CT扫描显示，其故障模式与2006年召回事件中的情况类似：八个锂离子电池单元中的一个电极受损，导致电气短路并引发热失控及起火。已知锂钴氧化物（Li-cobalt）比其他锂基系统稳定性较差。对于追求最佳续航时间的消费类产品，锂钴电池表现良好，但大型电池组面临额外的挑战。图2展示了受损的主飞机电池。

如果美国调查人员未能找到电池起火的根本原因，该技术可能会被认为尚未达到航空机载应用的成熟度。可能的解决方案包括改用其他锂基电池或重新采用镍镉电池。表1列出了四种常见锂离子系统的特性。

表1：四种最常用的锂离子电池的特性

比能量指容量（能量储存）；比功率则表示读载能力。

1 NMC代表镍锰钴。NMC、NCM、CMN、CNM、MNC和MCN都是类似的组合。
2 应用和环境决定循环寿命；这些数字并不总是完全适用。
3 充满电的电池会提高热失控温度，部分充电则会降低该温度。

不同锂离子系统的性能最好通过蜘蛛网图来说明。图表展示了比能量（容量）；比功率，（电流输出）；安全; 性能（在高低温下的表现）；寿命（循环寿命）；以及成本。这些数值为估算值，可能会有所变化。

钴酸锂(LiCoO2)

锂钴电池的特点是比能量高，但安全性、寿命和比功率适中。锂钴电池不应在超过其安时（Ah）额定值的电流下进行充放电。强制快速充电或施加超过1C的负载可能会导致过热。制造商建议的充电倍率为0.8C，而大多数针对该化学体系的电池保护电路将充放电电流限制在约1C（对于额定容量为1Ah的电池，即1A）。该电池由钴酸锂正极和石墨碳负极组成。锂钴电池是最早的锂离子电池之一，是笔记本电脑、移动电话和数码相机的首选化学体系。图2总结了锂钴电池的性能。

氧化锰锂(LiMn2O4)

以氧化锰锂作为正极材料，形成了三维尖晶石结构，改善了电极上的离子流动。这使得其内阻较低，具有良好的电流承载能力和优异的热稳定性。其缺点是寿命较短，且比能量比钴酸锂低约三分之一。图3展示了典型锰酸锂电池的蜘蛛网图。

磷酸铁锂（LiFePO4）

1996年，德克萨斯大学（及其他贡献者）发现了磷酸盐作为可充电锂离子电池正极材料的应用。磷酸铁锂具有良好的电化学性能和低电阻。这得益于纳米级磷酸盐正极材料的使用。其主要优势包括优异的热稳定性、耐滥用性、高电流容量和长循环寿命。然而，较低的3.30V/单体电压降低了其比能量。尽管平坦的放电电压曲线能提供持久的功率输出，但也使得荷电状态测量变得复杂。磷酸铁锂不能与其他锂基系统互换；较低的单体电压需要不同的充电器设置。图4总结了磷酸铁锂的特性。其典型应用包括电动工具、电动动力系统，以及越来越多的大型储能系统（ESS）。

锂镍锰钴氧化物（LiNiMnCoO2）

NMC（镍锰钴）使用镍、锰和钴作为正极材料。镍以其高比能量而闻名，但稳定性较低；锰形成尖晶石结构，具有低内阻，但比能量有限。将这些金属结合，形成了一个制胜配方，其比能量与钴酸锂相当，同时具有更好的安全性和更长的使用寿命。图5总结了这些结果。NMC电池相对较新，广泛应用于电动工具和电动自行车。

蜘蛛网图仅列出电池最基本的属性，省略了其他重要特性，如毒性、内阻、充电时间、低温充电接受能力、储存期间的容量损失、自放电以及滥用和老化时的安全性。

航空领域锂离子电池的安全考量

航空业有着最严格的要求，这使得在机载功能中引入新型电池化学成分面临挑战。让我们更详细地看看这些条件。

一次安全漏洞加上负面报道，就可能让公众反对现役飞机。新型飞机发生的两起电池事故暗示存在设计缺陷，波音必须意识到，锂离子电池作为主电池，其特性可能不如镍镉电池和铅酸电池系统那样为人所熟知。

在解释2006年涉及600万块锂离子电池组的召回事件时，索尼表示，在极少数情况下，锂离子电池单元内的微小金属颗粒可能会与其他部件接触，导致短路。电池制造商试图尽量减少此类颗粒的存在，但承认完全消除所有金属粉尘几乎是不可能的。与旧款低安时（Ah）设计相比，采用仅20–25µm超薄隔膜的电池单元更容易受到杂质的影响。

据一家主要的锂离子电池制造商称，生产线上每400万至500万个电池单元中，大约会出现一个随机的现场故障。目前的技术在使用传统金属氧化物的情况下，其比能量已接近理论极限，电池制造商正在改进方法以提高安全性并延长使用寿命。但问题依然存在，即在极少数情况下，电池单元内部可能会出现电短路。这在B-787的电池上有所体现。

轻微的短路只会导致自放电加剧，且产生的热量极小。然而，如果足够多的微小金属颗粒聚集在同一位置，电极之间会逐渐形成较大的电流，导致局部发热并造成进一步损坏。隔膜不均匀也可能引发电池失效。干燥区域导致的导电性下降会增加电阻，从而产生局部热点，削弱隔膜的完整性。当发生电气短路时，温度会迅速升至500°C（932°F），进而引发热失控。据报道，波音787客机上发生故障的电池温度达到了260°C（500°F），这一温度足以引发热失控。

在热失控期间，故障电池升高的热量可能会扩散到邻近电池，导致它们也变得热不稳定。这似乎发生在波音787的电池上。当每个电池按照自己的时间表分解时，可能会发生连锁反应。锂离子电池的分解可能在几秒钟内完成，也可能持续数小时，因为每个电池都在自行消耗。为了提高安全性，电池应包含隔板，以防止故障电池扩散到邻近电池。（特斯拉Roadster使用的锂钴电池将每个电池封装在独立的金属隔间中。）

燃烧的锂离子电池很难扑灭。用水浇可能无效，需要使用特殊化学品。如果可能，应将燃烧的电池移离易燃物，放置在开阔处，并用水冷却周围区域。对于燃烧的飞机电池而言，这可能无法做到，美国联邦航空管理局（FAA）可能会要求允许锂离子电池在飞机上燃烧殆尽，且不造成损坏。控制热失控事件需要防火防爆的电池外壳，电池制造商正在研发此类产品。

提出的问题是：“为了符合强制性安全标准，电池应在何时更换？”航空电子设备中的镍镉电池在容量降至特定阈值以下时会被淘汰。低容量也可用于判断老化锂离子电池的寿命终结，但出于安全考虑，可能需要提前更换。实验室压力测试可能无法准确揭示这一点，但实际使用中会显现出来。

随着电池起火事件的调查持续进行，关于布线不当的阴谋论也随之出现，但这可能性极低。如果属实，保护电路本应能防止电池出现可能的过压和过载情况。

不正确的充电是另一个嫌疑点。有猜测称，锂离子电池在充满电后仍处于涓流充电状态。锂离子电池无法吸收过充，充满电后必须切断充电电流。持续的涓流充电（维护充电）可能会导致金属锂沉积，进而引发短路。为了降低压力，锂离子电池在充满电后应保持在略低于100%的荷电状态。当电量降至80%至90%时，可以进行再次充电。

当电池核心出现故障时，就像那两块故障的B-787电池组一样，外围安全电路的作用有限；它们只能保护电池免受外部干扰。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这一事件；只有通过保护性电池外壳进行隔离才能起到作用。

寿命反映循环次数和寿命受环境条件和使用模式的影响。这包括温度、放电深度和负载电流。浅放电比完全放电更可取，缓慢的三小时充电比快速充电更好，但最重要的是电池应保持凉爽。老化主要表现为容量损失；容量是大多数电池的主要健康指标。

热量是电池的敌人；让锂离子电池保持在完全充电状态会进一步增加压力。最糟糕的情况是在高温下存放完全充电的锂离子电池。表2估计了铅酸、镍基和锂离子电池在不同温度下存放一年后的可恢复容量。

表2：电池存放一年后的可恢复容量估算。
高温会加速永久容量损失。锂离子电池对充电水平也很敏感。

高温会加速永久容量损失。锂离子电池对充电水平也很敏感。

性能在酷热的夏季和严寒的天气中，这一点在电力输送上表现得尤为明显。锂离子电池在低温下的性能不如镍镉电池。虽然镍镉电池在低温下可以接受慢充，但锂离子电池不应在冰点以下充电。快速充电仅允许在5至45°C（41至113°F）的温度范围内进行。尽管锂离子电池看似正在充电，但在低温充电时，阳极上可能会形成金属锂镀层。受低温充电影响的电池如果暴露在振动或其他压力条件下，更容易发生故障。（部分锂离子电池单元被设计为可在低至–10°C（14°F）的温度下充电，但充电速率会降低。）

比能量展示了电池能够储存多少能量。锂离子电池按重量和体积计算的储能量比镍基和铅基系统更多，然而，用于航空（及其他工业应用）的锂离子电池是针对安全性和寿命进行优化的，而非容量。这导致其比能量低于消费类产品的水平。此外，B-787客机将LVP10电池的充电电压限制在每节4.025伏，而非传统的4.20伏。这虽然延长了电池寿命，但也使其容量从标称的100%降至约75%。卫星和电动汽车动力系统中的锂离子电池也采用类似的策略，通过避免完全充满电和限制深度放电来延长使用寿命。

锂离子电池不需要像镍镉电池那样通过深度放电循环来消除记忆效应；然而，偶尔进行深度放电是有益的，这可以作为校准循环来校准电池管理系统（BMS）。BMS已知会随着时间的推移而降低精度。

特定功率展示了为电气负载提供电流的能力。根据前面的表1，B-787所选的钴酸锂电池仅能承受1C的放电倍率，而锰酸锂电池和NMC电池可提供10C的放电电流，磷酸铁锂电池可提供35C的放电电流；分别是其额定Ah值的10倍和35倍。由于内阻较低，这些系统的运行温度比钴酸锂电池更低。

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。材料成本并非成本较高的唯一原因；复杂的组装工艺也推高了价格。电池市场曾预测锂离子电池价格会下降，但这一情况尚未实现。所有锂离子电池所需的保护电路，为了确保安全和延长使用寿命，进一步增加了成本。飞机的增压高度为6000英尺（1830米），稀薄的空气可能对锂离子电池的影响与海平面不同。此外，与小型电池组相比，大型锂离子电池承受了额外的机械应力。电池诊断技术的发展速度不及其他技术，隐藏的异常情况往往在拆解前难以被发现。Cadex Electronics

结论

波音选择锂离子电池是因为它能满足787在减轻重量的同时提供额外电力功能的性能和设计目标。“我们在787的设计过程中，以及此后所学到的一切，都没有让我们改变对这项技术的基本评估，”该公司发言人表示。但随着787在全球范围内停飞，波音正努力弄清为何其多重安全系统未能阻止电池受损。

鉴于电池仅作为启动和备用系统，在飞机运行时若有其他电源可用即可忽略，因此飞机制造商可能会更重视推进系统而非电池，但电池起火失控仍是令人担忧的问题。在这方面，锂离子电池相较于传统的镍镉电池存在劣势。所有电池都可能发生故障，据报道，曾有一架波音777飞机因镍镉电池过热而不得不拉下电池断路器。在20世纪70年代初，美国国家运输安全委员会报告称，当时新型的镍镉电池每年会发生多起事故，但均未造成人员伤亡。经过重新设计后，镍镉电池变得安全可靠，并成为客机的标准配置。

当电气系统制造商泰雷兹在2005年决定为B-787电池选用钴酸锂时，他们选择了一种当时可用且容量较高的系统。与此同时，更稳定的化学配方已经开发出来，如果波音在飞机交付前考虑过其中一种技术，本该是明智之举。虽然锰酸锂、磷酸铁锂和镍锰钴（NMC）能够承受200°C（392°F）及以上的内部热量，但钴酸锂在150°C（302°F）时就会变得不稳定。

2006年，B-787机载充电器制造商Securaplane发生火灾，但这并未阻止选用该电池系统。在测试中，一块锂离子电池发生爆炸，将行政大楼烧毁。Securaplane是英国Meggitt Plc.的子公司，该公司表示将“配合美国国家运输安全委员会和联邦航空管理局的调查”，但认定此次电池起火涉及的是未安装在波音787飞机上的原型机。此外，2011年，一块锂离子电池还导致一架赛斯纳奖状喷气式飞机在地面被毁，这进一步加剧了人们的担忧。赛斯纳如今非常谨慎。

有一种选择是回归镍镉电池，而欧洲飞机制造商空客正在研发的宽体远程客机空客350可能会采用这种方案。这将需要一套不同的充电系统和经过修改的电池管理系统。此外，镍镉电池较低的比能量会使电池数量和重量翻倍，但据称空客350对电力的依赖程度低于“梦想客机”。

锂离子电池尚未完全成熟，建议飞机制造商设计能够随着更先进电池的出现而升级的飞机。目前，波音787的改装据说需要两年时间。更灵活的设计将能跟上时代的发展。

在这些领域取得了关键进展，但仍需进一步发展。Cadex Electronics has made critical progress in these areas but more development will be needed.

电池测试复杂，没有任何单一测量方法能够捕捉到所有异常。就像医生需要掌握多种医疗仪器来诊断疾病一样，电池也需要不同的技术来检测可能出现的异常。虽然手机电池老化对用户来说只是个麻烦，但航空电池故障可能会带来严重后果。