專利名稱：高比能量熱電池之單體電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有高比能量的熱電池單體電池。
背景技術(shù)：
隨著世界格局的變化和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國際上新一代先進的武器裝備層出不窮，如具有中遠程打擊能力的戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)略導(dǎo)彈系統(tǒng)，這也對導(dǎo)彈用熱電池提出了更高的要求。高比能量熱電池成為今后主要的發(fā)展方向。熱電池的發(fā)展國外稍快于國內(nèi)，據(jù)報道，使用LiB/CoS2電化學(xué)體系的熱電池其比能量達到120Wh/kg，但是未進入工程應(yīng)用階段。國內(nèi)已有報道使用LiB/NiCl2電化學(xué)體系的熱電池其比能量達到84Wh/kg(見郭永全等《以氯化鎳作正極材料的熱電池研究，《電源·技術(shù)》2010年02期》)。但是使用LiSi/CoS2電化學(xué)體系的熱電池其比能量小于等于60Wh/kg，工作時間小于lOmin。比能量是評價熱電池綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)指標之一，提高熱電池比能量的途徑主要有一是提高單體電池的比能量，二是輕型熱電池結(jié)構(gòu)的研究。本發(fā)明主要公開單體電池的研究以提聞熱電池的比能量。熱電池單體電池由加熱粉、正極粉、隔離粉和負極粉組成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于開發(fā)一種75Wh/kg高比能量熱電池之單體電池的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)提供長壽命、高比能量的熱電池。本發(fā)明在于熱電池使用常規(guī)的Li(Si)/LiCl-LiBr_LiF/CoS2電化學(xué)體系，通過新型單體電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加活性物質(zhì)的利用率、降低熱電池的內(nèi)阻等關(guān)鍵技術(shù)上取得突破，實現(xiàn)熱電池的重量比能量不小于75Wh/kg。本發(fā)明主要包括單體電池自身的熱平衡值設(shè)計、單體電池的正負極配比設(shè)計、負極添加劑設(shè)計和單體電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計。單體電池自身的熱平衡值設(shè)計是通過調(diào)節(jié)單體電池中加熱粉的重量來實現(xiàn)，加熱粉的重量含量為30% 39%，當加熱粉重量含量小于等于30%時，正、負極活性物質(zhì)的利用率低，放電時間短；當加熱粉重量含量大于等于40%時，熱電池內(nèi)部的熱失控，存在安全隱患；優(yōu)選30% 39%，在保證熱電池安全可靠工作的同時正、負極活性物質(zhì)的利用率達至丨J最聞。單體電池的正負極配比設(shè)計是通過調(diào)節(jié)單體電池中正、負極活性物質(zhì)的重量配比來實現(xiàn)，通過正交試驗正、負極活性物質(zhì)的重量配比為2 : I 4 : 1，優(yōu)選2.5 I 3.5 1，其活性物質(zhì)的利用率最高，放電容量最大。在負極LiSi合金中添加導(dǎo)電添加劑是通過在負極粉的制備過程中添加電解質(zhì)來增加其導(dǎo)電性能。文獻資料顯示以50mA/cm2的電流密度進行恒流放電，加入10% 15%的添加劑的放電性能較為理想。在本發(fā)明中，設(shè)計的理論電流密度為170mA/cm2，通過2% 15%添加劑的電性能數(shù)據(jù)比較，當添加劑大于10%時，在保證電池安全的前提下電池內(nèi)阻降低主要體現(xiàn)在放電初期，但是不能承受放電后期的大電流放電；如果不加添加劑或添加劑太少，內(nèi)阻降低不明顯，在放電初期有明顯的電壓波谷。通過多次試驗，加入2% 10%的添加劑，其放電性能較為理想，在傳統(tǒng)單體電池制備過程中，依次疊加加熱粉、正極粉、隔離粉和負極粉，然后通過壓制而成。這種制備過程的負面影響有單體制備時，加熱粉和正極活性物質(zhì)部分摻雜，加熱瞬間，部分正極活性物質(zhì)受熱發(fā)生分解，造成正極活性物質(zhì)利用率降低，從而制約高比能量熱電池的發(fā)展。通過在正極片與加熱片之間增加導(dǎo)電性能優(yōu)良的石墨隔離材料，以減少加熱片對正極材料的熱沖擊，提高了正極活性物質(zhì)的利用率。


附圖I為本發(fā)明具有高比能量的不同熱比熱電池放電過程電池殼體表面溫度隨時間變化的對比圖。附圖2為單體電池的負極添加劑為O %的放電曲線。
附圖3為本發(fā)明具有75Wh/kg高比能量熱電池放電曲線圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例,進一步闡述本發(fā)明。這些實施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明記載的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。本發(fā)明優(yōu)選實施例單體電池設(shè)計使用Li (Si)/LiCl-LiBr-LiF/CoS2電化學(xué)體系，加熱粉在整個單體電池中的含量約為39%，LiSi負極與CoS2正極的重量比為I : 3，在LiSi負極增加10%的LiCl-LiBr-LiF三元全鋰電解質(zhì)，在正極片與加熱片之間增加石墨隔離材料。將優(yōu)選實施例中的單體電池進行串并聯(lián)組合，生產(chǎn)二只熱電池，其外形尺寸為Φ 86mm X 198mm ;按下述條件進行放電。輸出電壓58V±8V;輸出電流12A;使用溫度范圍_45°C +60°C放電結(jié)果見下表I :表I
Kit 放電電峰值電截止電激活工作時重量比能電池外形尺萬又午流a 壓V 壓V 時間s間s 量Wh/kg寸
45°C貯存 6h 12 61.05 50 089 924 76J 0>86X198(不
■60°C存 12 64.9 50 0.44 910 75.5 包括接線柱)
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的75Wh/kg高比能量熱電池之單體電池設(shè)計技術(shù)。其特征在于，單體電池自身的熱平衡設(shè)計、單體電池的正負極配比設(shè)計、單體電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計和在負極中增加添加劑的設(shè)計。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單體電池自身的熱平衡值設(shè)計，其特征在于單體電池中加熱粉的重量含量為33% 39%，如果加熱粉在整個單體電池中重量含量超過40%，熱電池將存在安全隱患。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單體電池的正負極配比設(shè)計，其特征在于LiSi負極與CoS2正極的最佳重量比約為I : 2. 5 I : 3. 5。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的在負極中增加添加劑的設(shè)計，其特征在于在負極材料中增加2% 10 %的LiCl-LiBr-LiF三元全鋰電解質(zhì)，增加其導(dǎo)電性能，提高負極活性物質(zhì)的利用率。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單體電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其特征在于通過在正極片與加熱片之間增加導(dǎo)電性能優(yōu)良的石墨隔離材料，以減少加熱片對正極材料的熱沖擊，提高了正極活性物質(zhì)的利用率。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱電池技術(shù)領(lǐng)域，涉及75Wh/kg高比能量熱電池之單體電池的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)。本發(fā)明主要公開①在單體電池的熱平衡設(shè)計中，加熱粉在整個單體電池中最佳重量含量約為30％～39％，如果加熱粉在整個單體電池中重量含量超過40％，熱電池將存在安全隱患；②在Li(Si)/LiCl-LiBr-LiF/CoS2電化學(xué)體系熱電池單體電池的匹配性設(shè)計中，LiSi負極與CoS2正極的最佳重量比約為1∶2.5～1∶3.5；③通過在負極材料中增加2％～10％的LiCl-LiBr-LiF三元全鋰電解質(zhì)，增加其導(dǎo)電性能，提高負極活性物質(zhì)的利用率；④在單體電池的設(shè)計中通過在正極片與加熱片之間增加導(dǎo)電性能優(yōu)良的石墨隔離材料，以減少加熱片對正極材料的熱沖擊，提高了正極活性物質(zhì)的利用率。
文檔編號H01M4/62GK102856565SQ201110182300
公開日2013年1月2日 申請日期2011年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者黃海燕, 高俊麗, 鄭要武, 胡華榮, 遲亮, 張麗平 申請人:上海空間電源研究所