由于 NASA 更多地依赖锂离子电池，航天局制定了一项确保其安全的计划
锂离子电池的过去、现在和未来

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这听起来似乎是理所当然的，但你不能用超长的电源线给你的航天器充电——这就是为什么电池是太空的离合器，为从电动工具和宇航服到卫星和行星漫游车的所有东西提供动力。但是，将电池送入宇宙不仅仅意味着将其装载到火箭上：电池必须能够承受太空环境的极端温度，而且还必须对其进行包装，以免意外伤害任何宇航员。爆炸。

许多深空飞船都配备了太阳能电池板供电，因此大多数太空电池用于在航天器上储存能量，以便在太阳看不见时使用。例如，当这些飞行器暂时穿过行星和太阳之间，挡住视线时，就会发生这种情况。电池对于保持车辆供电直至阳光重新出现至关重要。但电池还为宇航员宇航服上的生命支持系统以及修复国际空间站外部所需的工具和其他便携式电子设备提供动力。

当电池用于载人航天时，NASA尤其关注安全问题

当电池用于载人航天时，NASA 特别关注安全性。这是因为锂离子电池已成为太空中的首选电源组，就像在地球上一样。锂离子电池可能是目前功能最强大的电池类型，但它也存在一种称为热失控的风险——缺陷或处理不当会导致电池过热和爆炸。

如果电池在空间站等加压舱内着火，后果可能是毁灭性的。美国宇航局技术研究员办公室电力专家克里斯托弗·伊安内洛 (Christopher Iannello) 告诉The Verge，在这种富氧环境中发生火灾确实会发生爆炸，“绝对是灾难性的” 。“这是一种潜在的人员伤亡情况。”

用于航天包装的锂离子电池  图片：美国宇航局

然而，美国宇航局已经找到了包装锂离子电池的方法，这样热失控事件就不会在国际空间站上造成彻底的悲剧。在被送往太空之前，这些电池都经过精心配备各种材料和技术，旨在防止它们在燃烧时喷出热量、烟雾和火灾。

美国宇航局并不总是需要担心电池爆炸。该航天局过去常常依赖较旧的电池类型，例如镍氢或镍氢——这是国际空间站上用于储存能量的主要电池类型。但随着锂离子电池开始在地球表面占据主导地位，美国宇航局和其他航空航天公司也开始将其整合到他们的车辆中。“你不能再从任何人那里购买[镍氢]，因为市场刚刚被锂离子电池占领，”美国宇航局约翰逊航天中心的电池设计专家埃里克·达西告诉The Verge。如今，如果航天局需要电池，它将使用标准的现成锂离子 18650 电池（与电动汽车中使用的电池相同）并将其包装到太空。美国宇航局甚至开始将国际空间站上的镍氢电池更换为更新的锂离子电池。

锂离子电池的优势对 NASA 来说尤其重要，因为这类电池在功率方面远远超过了它们的前辈：商业制造的锂离子电池的功率约为镍氢电池的三倍。锂离子电池还将大量电力装入相对较小且重量较轻的电池中。这对于太空飞行至关重要，因为每一磅都至关重要。航天器越重，将其发射到太空所需的能量和资金就越多。在太空飞行器上使用较小的电池可以节省重量和空间，从而可以添加其他更重要的仪器。

锂离子电池的使用寿命也比其他航天电池更长。俄罗斯联盟号太空舱用于运送宇航员往返国际空间站，其使用的银锌电池只能持续几个月。这就是联盟号必须每六个月返回地球一次的部分原因：它的电池不会持续太久。达西表示，与此同时，目前为 NASA 宇航服生命支持系统供电的锂离子电池已经使用了 11 年，几乎没有退化。最重要的是，锂离子电池具有很长的循环寿命，这意味着它们可以在失效之前反复充电和放电。这对于绕地球低轨道运行的卫星尤其重要，这些卫星每天进出太阳视线 16 次。最重要的是，锂离子电池并没有真正受到太空环境中高水平辐射的影响。

所有这些好处都是以爆炸风险为代价的，而爆炸风险无法完全消除。如果电池太热，可能会发生热失控，因此美国宇航局确实试图降低这种风险。此外，为了保护电池免受空间极端波动的影响，在整个电池单元中添加了加热器来调节其温度。

“与灾难性危险不同的是严重危险。”

电池筛选也是 NASA 消除电池中可能导致热失控的缺陷的关键。但世界上所有的筛查都无法发现所有缺陷。达西表示，有时电池在制造时存在潜在缺陷，只有在电池充电和放电时，这些缺陷才会随着时间的推移而显现出来。

因此，当电池用于载人航天任务时，必须仔细包装以确保宇航员的安全。具体来说，美国宇航局希望确保如果电池中的一个电池着火，火势不会蔓延到同一电池内的所有其他数百个电池。“这是为了让电池设计具有耐受性，从而使其成为严重危险而不是灾难性危险，”达西说。

NASA 宇航服上如何使用电池  图片：美国宇航局

这就是为什么达西对于如何包装用于载人航天任务的电池制定了五项重要准则。首先，工程师必须假设电池会以不可预测的方式爆炸。通常，锂离子电池的设计是这样的：如果它们确实着火，它们会通过某种指定的通风口喷出电池内的物质。但达西说，你必须考虑电池炸穿外壳的可能性。为了防止这种情况发生，工程师们在电池周围放置了钢管，以防止电池以奇怪的方式破裂。

另一条规则是在电池内部的电池之间提供足够的隔离，这样，如果其中一个电池着火，它就不会与其他电池直接接触。否则，坏小区很容易影响其相邻小区。需要在电池之间添加材料作为散热器，阻止高温蔓延到爆炸的电池之外。铝已被证明是一种很好的材料。

第三条规则仅适用于具有以特定方式连接的电池的电池。电池芯可以串联或并联连接在一起；串联电池具有更高的电压和功率，而并联电池具有更高的容量，并且能够在更长的时间内提供更多的功率。NASA 的电池配置（串联或并联）因任务而异。但每当在载人航天任务中将电池并联时，就会带来额外的安全风险。如果并联的一个电池开始失控，它将开始内部加热，并有可能将热量传播到其他电池。这就是为什么 NASA 必须在这些电池之间并联添加熔断线。这些保险丝的作用就像关闭开关一样；

“感谢上帝，从来没有发生过飞行中的热失控事件，但我们对此有一个计划。”

最后两条规则都是关于处理电池爆炸时产生的烟雾和火焰。达西说，你想在电池中加入一条烟囱路径，将所有热熔融材料和烟雾从电池组中排出。如果任何一种物质落在邻居身上，就可能导致另一个细胞燃烧。最后，您需要一些东西来扑灭烟囱中喷出的火焰。美国宇航局非常担心国际空间站内的火灾蔓延，因为在没有地球重力的情况下，火灾的表现有所不同。因此，工程师要确保故障电池组中只会冒烟。

所有这些附加组件都有惩罚。达西表示，它们使电池的重量增加了约 20%，尺寸增加了约 50%。当您需要电池来装一些小东西（例如宇航员的手枪式握把工具）时，这可能会很有挑战性。然而，即使所有这些问题都需要解决，达西表示，使用锂离子仍然有净效益。他说：“尽管我们必须增加一些体积，增加锂离子的一些重量，以使其安全并可接受[人类]任务，但与其他电池相比，它仍然具有显着的净优势”。

不过，这些只是载人航天电池的标准。当锂离子电池用于机器人任务时，例如行星航天器或漫游车，工程师不一定需要添加所有这些特殊包装。例如，细胞可以保持更紧密的距离，因为爆炸不会是生死攸关的问题。然而，热失控可能会导致任务结束。“这只是接受更多的风险，”达西说。“我们比其他任何人都做更多的筛查，但我们仍然接受这种风险。”

幸运的是，达西表示，商用锂离子电池因未知缺陷而爆炸的可能性不到百万分之一。但当宇航员参与其中时，美国宇航局不会冒险。“感谢上帝，从来没有发生过飞行中的热失控事件，但我们对此有一个计划，”伊安内洛说。

 

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本文由韩国SEBANG蓄电池（大陆地区）营销中心于2023-09-12 08:37:00 整理发布。
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