《表3 化学元素在航空航天能源供给系统的应用》

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《化学元素与航空航天》

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航空航天器必须要有持续的能源供给系统，实现正常的发动机启动、为机载电脑供电来控制飞行姿态等功能。比如载人飞机的机载电池作电动机起动器能源供应，用作无线电，GPS，辅助动力（APU）、通信系统和I/O设备的电源，以及用于除冰飞机机翼和操作AC系统的电源。波音737和空客A320采用镍镉或镍金属氢化物的蓄电池；波音787和空客A380大飞机采用大容量的锂离子电池[46]。硅基太阳能电池也在航空航天领域应用广泛。比如，阳光动力2号太阳能飞机不耗费一滴燃油便可昼夜连续飞行，所需能量完全由太阳能电池提供[43]。人造卫星采用太阳能电池帆板和锂离子电池相结合的配电系统。此外，空间站和航天飞机还有燃料电池供电系统。表3从Si，Pd，Cd，Ni，H，Li，O等化学元素出发，对目前航空航天领域所用的电源进行总结。铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池是目前飞机常用的3种电池[45]。其中，铅酸电池是发展历史最悠久的蓄电池，自1859年由法国人普兰特发明，至今有100多年的历史，其电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液，波音777就使用这种电池[45]。此外，镍镉电池也是飞机常用的电源，该电池采用氢氧化镉作为阳极和氢氧化镍为阴极，其电解液采用氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂。镍镉电池的优点为较低的维护成本，可靠且具有宽的工作温度范围。但是镍镉电池最致命的缺点是，在充放电过程中如果处理不当，会出现严重的“记忆效应”，使得服务寿命大大缩短[45]。尤为注意的是该电池制造中使用的重金属镉，许多国家对Ni-Cd电池实施严格的处置规定，防止其造成环境污染。锂离子电池由于其高能量密度和快速充放电速度引起航空航天专家的密切关注。2013年1月7日日本一架B787飞机锂离子电池组发生了火灾，造成了当时世界上所有运行的B787飞机的停飞[46]。美国国家运输安全委员会发现由于构成电池系统的8块锂电池中有1块出现内部短路，引起了热失控（连锁性异常高温），造成电池失火事故。美国国家运输安全委员会认为GS汤浅公司生产的锂离子电池存在设计缺陷和波音公司没有经过严格测试就投入使用，双重原因造成了这次事故。此后，波音公司针对这次教训，对电池进行了修改，用绝缘胶带包裹8块电池，并将其放入能形成无氧环境的不锈钢容器内，解决了上述安全隐患，这才使“梦想号”得以复飞。此外，航空航天器的发射环境（比如强烈震动）、近空环境和宇宙环境的高低温变化、真空度的变化都对航空航天电源系统提出了更高的要求。随着化学材料领域的科学家不断努力，基于化学元素的高性能电极材料、隔膜材料等越来越多地应用到航空电池中，这势必为航空航天领域的发展提供可靠高能量密度的能源供应。