Литий-ионные аккумуляторы для космоса: проблема выбора

Исследователи из ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН рассмотрели применение литий-ионных аккумуляторов для различных видов космических приложений. Впервые подробно описаны варианты использования таких источников питания для низкой околоземной орбиты и в малых спутниках — кубсатах. Работа опубликована в журнале Applied Energy.

Космические аппараты, работающие на низкой околоземной орбите, потребляют много электроэнергии. Литий-ионные аккумуляторы — основной источник энергии для таких аппаратов во многом благодаря их высокой удельной энергоёмкости, что снижает массу и стоимость запуска. Выбор конкретных катодных и анодных материалов, конструкционных особенностей, форм-факторов и методов тестирования аккумуляторов становится критически важным для обеспечения долговременной работы искусственных спутников Земли.

Обзор существующей литературы, проведённый черноголовскими исследователями в коллаборации с учеными МФТИ, позволяет сделать несколько важных выводов.

Катодные материалы. Для долговременных миссий в космосе предпочтительны более безопасные и долговечные LFP-катоды (литий-железо-фосфатные), хотя катоды NMC/NCA (никель-марганец-кобальт/никель-кобальт-алюминий) имеют более высокую удельную энергоёмкость.

Проектирование. При проектировании необходимо учитывать жёсткие условия космоса: вакуум, экстремальные перепады температур, вибрации при запуске, ионизирующее излучение. Это определяет выбор материалов, конструкции и систем терморегулирования.

Тестирование характеристик аккумуляторов перед запуском критически важно. Из-за невозможности провести полномасштабные испытания на весь срок службы (десятки тысяч циклов разряда-заряда для низкой околоземной орбиты) используются ускоренные тесты, симуляция условий полёта («like you fly test»), тщательный входной контроль и подбор электрохимических ячеек.

Надёжность и срок службы в космических миссиях приоритетнее максимальной энергоёмкости. Часто используется уменьшенная глубина разряда (10—40 %) для достижения десятков тысяч циклов зарядки-разрядки.

Форм-фактор. В космосе чаще используют аккумуляторы цилиндрической формы (например, распространенного форм-фактора 18650) из-за их более низкой стоимости, связанной с массовым производством, повышенной прочности, безопасности и наличия встроенных защитных устройств. Пакетные ячейки (pouch) менее пригодны для условий вакуума из-за риска вздутия корпуса.

Для кубсатов, которые активно запускаются как попутная полезная нагрузка и часто служат в качестве учебных студенческих спутников, широко используются готовые коммерческие ячейки (COTS), особенно формата 18650. Это позволяет снизить стоимость и время разработки аппарата, пусть и с некоторым увеличением риска неисправности.

«Разработка литий-ионных аккумуляторов для космоса — это компромисс между энергоёмкостью, безопасностью, надёжностью, сроком службы и стоимостью. Доминирующим выбором, особенно для кубсатов, становятся проверенные, надёжные коммерческие ячейки цилиндрической формы, прошедшие тщательный отбор и адаптацию к условиям конкретной миссии», - говорит первый автор работы, с.н.с. Елизавета Евщик.