[发明专利]高比能量热电池之单体电池

说明书

技术领域

本发明属于热电池技术领域，具体涉及一种具有高比能量的热电池单体电池。

背景技术

随着世界格局的变化和科学技术的飞速发展，国际上新一代先进的武器装备层出不穷，如具有中远程打击能力的战术、战略导弹系统，这也对导弹用热电池提出了更高的要求。高比能量热电池成为今后主要的发展方向。

热电池的发展国外稍快于国内，据报道，使用LiB/CoS₂电化学体系的热电池其比能量达到120Wh/kg，但是未进入工程应用阶段。国内已有报道使用LiB/NiCl₂电化学体系的热电池其比能量达到84Wh/kg(见郭永全等《以氯化镍作正极材料的热电池研究，《电源技术》2010年02期》)。但是使用LiSi/CoS₂电化学体系的热电池其比能量小于等于60Wh/kg，工作时间小于10min。

比能量是评价热电池综合性能的关键技术指标之一，提高热电池比能量的途径主要有：一是提高单体电池的比能量，二是轻型热电池结构的研究。本发明主要公开单体电池的研究以提高热电池的比能量。

热电池单体电池由加热粉、正极粉、隔离粉和负极粉组成。

发明内容

本发明的目的在于开发一种75Wh/kg高比能量热电池之单体电池的关键设计技术，为导弹武器系统提供长寿命、高比能量的热电池。

本发明在于热电池使用常规的Li(Si)/LiCl-LiBr-LiF/CoS₂电化学体系，通过新型单体电池的结构设计、增加活性物质的利用率、降低热电池的内阻等关键技术上取得突破，实现热电池的重量比能量不小于75Wh/kg。本发明主要包括单体电池自身的热平衡值设计、单体电池的正负极配比设计、负极添加剂设计和单体电池的结构设计。

单体电池自身的热平衡值设计是通过调节单体电池中加热粉的重量来实现，加热粉的重量含量为30％～39％，当加热粉重量含量小于等于30％时，正、负极活性物质的利用率低，放电时间短；当加热粉重量含量大于等于40％时，热电池内部的热失控，存在安全隐患；优选30％～39％，在保证热电池安全可靠工作的同时正、负极活性物质的利用率达到最高。

单体电池的正负极配比设计是通过调节单体电池中正、负极活性物质的重量配比来实现，通过正交试验正、负极活性物质的重量配比为2∶1～4∶1，优选2.5∶1～3.5∶1，其活性物质的利用率最高，放电容量最大。

在负极LiSi合金中添加导电添加剂是通过在负极粉的制备过程中添加电解质来增加其导电性能。文献资料显示以50mA/cm²的电流密度进行恒流放电，加入10％～15％的添加剂的放电性能较为理想。在本发明中，设计的理论电流密度为170mA/cm²，通过2％～15％添加剂的电性能数据比较，当添加剂大于10％时，在保证电池安全的前提下电池内阻降低主要体现在放电初期，但是不能承受放电后期的大电流放电；如果不加添加剂或添加剂太少，内阻降低不明显，在放电初期有明显的电压波谷。通过多次试验，加入2％～10％的添加剂，其放电性能较为理想，

在传统单体电池制备过程中，依次叠加加热粉、正极粉、隔离粉和负极粉，然后通过压制而成。这种制备过程的负面影响有：单体制备时，加热粉和正极活性物质部分掺杂，加热瞬间，部分正极活性物质受热发生分解，造成正极活性物质利用率降低，从而制约高比能量热电池的发展。通过在正极片与加热片之间增加导电性能优良的石墨隔离材料，以减少加热片对正极材料的热冲击，提高了正极活性物质的利用率。

附图说明

附图1为本发明具有高比能量的不同热比热电池放电过程电池壳体表面温度随时间变化的对比图。

附图2为单体电池的负极添加剂为0％的放电曲线。

附图3为本发明具有75Wh/kg高比能量热电池放电曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

本发明优选实施例：