CN106972182A - 一种薄型热电池隔离片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄型热电池隔离片及其制备方法。该方法采用电解质盐饱和溶液浸润基体制备得到薄型热电池，使得极易吸潮溶解的熔盐电解质制备成隔离片成为可能，该方法不需要严苛的操作环境，重复性好，成本低，可根据需要制备不同厚度的隔离片；同时，本发明制备的热电池隔离片更加薄型化，隔离片厚度在150‑350μm范围内可调，有效缩短热电池的激活时间，并有效提高其大功率放电能力。

Description

一种薄型热电池隔离片及其制备方法

技术领域

本发明属于热电池制备技术领域，特别涉及一种采用饱和溶液浸润制备薄型化热电池隔离片的工艺方法。

背景技术

热电池是通过固态盐类电解质加热熔融成离子型导体而进入工作状态的热激活一次储备电源；热电池因具有大功率放电、高比能量、高比功率、使用环境温度宽、储存时间长、激活迅速可靠、结构紧凑等特点，而成为现代武器(导弹、鱼雷、战略武器等)十分理想的电源，在军用电源中占有十分重要的地位。

目前，锂系热电池是热电池的主导产品，可以简单的将其看成由正极、熔盐电解质和负极组成，当工作温度高于电解质盐熔点时，电解质便熔化、流动，电池被激活；但是，电解质的流动产生电噪声，加快自放电，严重时造成电池短路，对电池放电性能产生负面影响；因此隔离片作为热电池组成的关键一环，直接影响电池的工作寿命和安全性能等特性。

目前，为了抑止电解质的流动，通常采用比表面积大的化学惰性物质(比如MgO)添加到电解质中以抑制电解质的流动；但是采用该方法制备的隔离片直径尺寸有所限制，此类热电池放电过程中内阻较大，大功率放电能力不佳。

并且，热电池理想的电解质，既须具备较好的电子绝缘性以隔离正负极材料，又要能提供稳定的离子传输通道；考虑到热电池高温的工作条件和负极材料在高温下极强的腐蚀性，为保证电池高效安全的运行，热电池电解质中的隔离材料必须使用绝缘性好、化学稳定性和热稳定性强的材料；但是，现有的热电池电解质材料通常是由氧化镁(MgO)和电解质盐氯化锂、氯化钾按照一定比例混合进行粉体压片而成，主要问题在于粉体自支撑性差，其机械强度较差，高温时收缩性和弯曲性容易受到影响导致电池短路，因此厚度不能太薄，从而增大了电池体积，严重限制了热电池小型化的发展。同时此类热电池其放电过程中，电解质泄漏率变化较大从而使得电池的极化内阻变化大，导致其功率性能较差。

同时，电解质盐极易吸潮溶解，因此，国内外热电池隔离片均采用粉末压片工艺制备，但由于粉体自支撑性差，导致隔离片不能太薄、直径太大无法成型等问题，已成热电池小型化的瓶颈，因此，薄型化热电池隔离片成为未来热电池小型化亟需解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种薄型热电池隔离片及其制备方法，该热电池隔离片更加薄型化，稳定性好，同时该隔离片能够有效缩短热电池的激活时间，提高其大功率放电能力。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种薄型热电池隔离片的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备电解质盐饱和溶液；

(2)将基体置于所述电解质盐饱和溶液中浸润一段时间，取出，再经干燥、固化、压制，制得薄型化热电池隔离片。

本发明的有益效果为：通过采用电解质盐饱和溶液浸润基体的方法制备热电池隔离片，使得极易吸潮溶解的电解质盐制备成隔离片成为可能，本发明方法不需要严苛的操作环境，重复性好，成本低，可根据需要制备不同厚度的隔离片，是目前高功率热电池理想的隔离材料制备方法。

同时，本发明制备的热电池隔离片更加薄型化，隔离片厚度在150-350μm范围内可调，有效缩短热电池的激活时间，并有效提高其大功率放电能力。

并且，本发明采用浸润方法可以独立制备一定厚度的隔离片，再将热电池正极片和负极片一起组装为薄型化热电池单体电池，操作简单，便于大规模生产。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：

进一步，所述步骤(1)的具体制备过程为：

将电解质盐和分散剂混合，于100-200℃下进行搅拌，搅拌速度为200-600r/min，搅拌时间为30min-6小时，制得；其中，电解质盐的质量百分含量为15-80％，分散剂的质量百分含量为20-85％。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：上述方法可以使饱和溶液中电解质盐的含量最大化，从而浸润得到最佳电解质盐含量的隔离片。

进一步，所述电解质盐为KCl和LiCl的混合物或LiCl、LiBr和KBr的混合物；在KCl和LiCl的混合物中，KCl的质量百分比为30-60％，LiCl的质量百分比为40-70％；在LiCl、LiBr和KBr的混合物中，LiCl的质量百分比为5-15％，LiBr的质量百分比为30-45％，KBr的质量百分比为40-60％。

进一步，所述分散剂为无水乙醇或水。

进一步，步骤(2)中，基体在电解质盐饱和溶液中浸润时保持温度为100-200℃，浸润时间为5s-3min。

进一步，所述基体厚度为100-200μm，孔大小为0.5-2.0μm。

采用上述进一步技术方案的有益效果为：该条件能够有效保证基体的微孔结构可以更多的负载电解质盐，以及限制其在高温条件下的电解质盐泄漏率。

进一步，所述基体为玻璃纤维或金属氧化物薄膜。

进一步，步骤(2)中，干燥的具体过程为：首先在温度40-100℃下，干燥2-12小时；再于真空度为-0.05～-0.1Mpa，温度范围为40-100℃的条件下，干燥时间2-12h。

进一步，步骤(2)中，所述压制的具体过程为：在湿度不大于3％的条件下，将经干燥固化后的热电池隔离片于2-15Mpa下压制5s-1min，制得。

采用上述薄型热点池隔离片的制备方法制备得到的薄型化热电池隔离片，该热电池隔离片内阻小且有利于提高大功率放电能力。

本发明的有益效果为：

1)本发明的热电池隔离片在制备过程中，直接将基体浸润于电解质盐饱和溶液中，没有添加任何化学惰性物质，可实现大直径薄型隔离片的制备，同时，采用本发明的热电池隔离片的热电池在放电过程中内阻小，大功率放电能力得到有效提高。

2)本发明制备的薄型热电池隔离片环境适应性好，可在高过载、高冲击等极端环境下使用；与同规格的采用粉末压制隔离片的热电池相比，采用本发明方法制备的隔离片的热电池激活速度快10％以上，为特种武器装备提供了良好的电源解决方案，扩大了热电池的使用范围。

3)本发明通过采用特殊的耐高温基体材料(玻璃纤维膜或金属氧化物膜)负载电解质盐，使得制备的热电池内阻小，大功率放电性能得到提高，同时也有利于今后进一步提高热电池自动化生产程度。

4)本发明克服了传统粉末压片工艺带来的诸多弊端，不需要高精度的压片模具和大量的劳动力，能够轻松实现大面积和不规则形状隔离片的制备。可以有效减小单体电池体积，特别适合热电池小型化的时代发展要求。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1：

一种薄型热电池隔离片的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备电解质盐饱和溶液：在自然环境中，将电解质盐和分散剂混合，在100℃下进行搅拌，搅拌速度为200r/min，搅拌时间为30min，得到电解质盐饱和溶液；其中，分散剂为50％无水乙醇；电解质盐为KCl和LiCl的混合物，KCl的质量百分比为40％，LiCl的质量百分比为60％；电解质盐的质量百分含量为60％，分散剂的质量百分含量为40％。

(2)在自然环境中，采用玻璃纤维作为负载基体，将其浸入电解质盐饱和溶液中，溶液保持温度为100℃，保持30s，随后取出得到隔离片；玻璃纤维的基体厚度为100μm，孔大小为1.0μm；

(3)在湿度不大于3％的环境中，隔离片转入普通烘箱后，烘干温度为60℃，烘干时间3h；随后转入真空烘箱，真空度为-0.1Mpa，干燥温度为60℃，干燥时间为8h；

(4)在湿度不大于3％的环境中，将干燥固化后的热电池隔离片在5Mpa下压制30s，得到薄型热电池隔离片。

实施例2：

一种薄型热电池隔离片的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备电解质盐饱和溶液：在自然环境中，将电解质盐和分散剂混合，在200℃下进行搅拌，搅拌速度为600r/min，搅拌时间为1h，得到电解质盐饱和溶液；其中，分散剂为蒸馏水；电解质盐为KCl和LiCl的混合物，KCl的质量百分比为45％，LiCl的质量百分比为55％；其中，电解质盐的质量百分含量为15％，分散剂的质量百分含量为85％；

(2)在自然环境中，采用玻璃纤维作为负载基体，将其浸入电解质盐饱和溶液中，溶液保持温度为200℃，保持5s，随后取出得到隔离片；玻璃纤维的基体厚度为200μm，孔大小为2.0μm；

(3)在湿度不大于3％的环境中，隔离片转入普通烘箱后，烘干温度为40℃，烘干时间10h；随后转入真空烘箱，真空度为-0.05Mpa，干燥温度为40℃，干燥时间为2h；

(4)在湿度不大于3％的环境中，将干燥固化后的热电池隔离片在2Mpa下压制5s，得到薄型热电池隔离片。

实施例3：

一种薄型热电池隔离片的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备电解质盐饱和溶液：在自然环境中，将电解质盐和分散剂混合，在150℃下进行搅拌，搅拌速度为300r/min，搅拌时间为6h，得到电解质盐饱和溶液；其中，分散剂为蒸馏水；电解质盐为LiCl、LiBr和KBr的混合物，LiCl的质量百分比为10％，LiBr的质量百分比为40％，KBr的质量百分比为50％；其中，电解质盐的质量百分含量为80％，分散剂的质量百分含量为20％；

(2)在自然环境中，采用金属氧化物薄膜作为负载基体，将其浸入电解质盐饱和溶液中，溶液保持温度为150℃，保持1min，随后取出得到隔离片；金属氧化物薄膜的厚度为110μm，孔大小为0.8μm；

(3)在湿度不大于3％的环境中，隔离片转入普通烘箱后，烘干温度为100℃，烘干时间12h；随后转入真空烘箱，真空度为-0.05Mpa，干燥温度为40℃，干燥时间为2h；

(4)在湿度不大于3％的环境中，将干燥固化后的热电池隔离片在2Mpa下压制5s，得到薄型热电池隔离片。

实施例4：

一种薄型热电池隔离片的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备电解质盐饱和溶液：在自然环境中，将电解质盐和分散剂混合，在110℃下进行搅拌，搅拌速度为400r/min，搅拌时间为4h，得到电解质盐饱和溶液；其中，分散剂为蒸馏水；电解质盐为KCl和LiCl的混合物，KCl的质量百分比为55％，LiCl的质量百分比为45％；其中，电解质盐的质量百分含量为40％，分散剂的质量百分含量为60％；

(2)在自然环境中，采用金属氧化物薄膜作为负载基体，将其浸入电解质盐饱和溶液中，溶液保持温度为180℃，保持30s，随后取出得到隔离片；金属氧化物薄膜的厚度为160μm，孔大小为1.5μm；

(3)在湿度不大于3％的环境中，隔离片转入普通烘箱后，烘干温度为80℃，烘干时间8h；随后转入真空烘箱，真空度为-0.08Mpa，干燥温度为50℃，干燥时间为8h；

(4)在湿度不大于3％的环境中，将干燥固化后的热电池隔离片在10Mpa下压制45s，得到薄型热电池隔离片。

对比例1：

在湿度不大于3％的环境中，将电解质盐(KCl和LiCl的混合物)和氧化镁(MgO)按照质量比6:4比例混合，电解质中KCl的质量百分比为40％，LiCl的质量百分比为60％，按照粉末压片工艺制备成电解质片。

以二硫化铁作为阴极，锂硅合金作为阳极，采用对比例和实施例1-5的隔离片组装成单体电池，进行放电性能测试，测试结果如表1所示：

表1不同电流密度下单体电池放电性能

可见，由本发明实施例1-4制备的隔离片组装的热电池单体电池平均内阻小于对比例氧化镁压片方式隔离片组装的热电池单体电池，大功率放电性能得到有效提高；并且，表1结果证实在电流密度为125mA/cm²和1000mA/cm²实施例1-4制备的隔离片组装的热电池单体电池平均电压分别比对比例氧化镁压片方式隔离片组装的热电池单体电池高0.045V和0.091V。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄型热电池隔离片的制备方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)制备电解质盐饱和溶液；

(2)将基体置于所述电解质盐饱和溶液中浸润一段时间，取出，再经干燥、固化、压制，制得薄型热电池隔离片。

2.根据权利要求1所述的薄型热电池隔离片的制备方法，其特征是，所述步骤(1)的具体制备过程为：

将电解质盐和分散剂混合，于100-200℃下进行搅拌，搅拌速度为200-600r/min，搅拌时间为30min-6小时，制得；其中，电解质盐的质量百分含量为15-80％，分散剂的质量百分含量为20-85％。

3.根据权利要求2所述的薄型热电池隔离片的制备方法，其特征是，所述电解质盐为KCl和LiCl的混合物或LiCl、LiBr和KBr的混合物；在KCl和LiCl的混合物中，KCl的质量百分比为30-60％，LiCl的质量百分比为40-70％；在LiCl、LiBr和KBr的混合物中，LiCl的质量百分比为5-15％，LiBr的质量百分比为30-45％，KBr的质量百分比为40-60％。

4.根据权利要求2所述的薄型热电池隔离片的制备方法，其特征是，所述分散剂为无水乙醇或水。

5.根据权利要求1所述的薄型化热电池隔离片的制备方法，其特征是，步骤(2)中，基体在电解质盐饱和溶液中浸润时保持温度为100-200℃，浸润时间为5s-3min。

6.根据权利要求1或5所述的薄型热电池隔离片的制备方法，其特征是，所述基体厚度为100-200μm，孔大小为0.5-2.0μm。

7.根据权利要求6所述的薄型热电池隔离片的制备方法，其特征是，所述基体为玻璃纤维或金属氧化物薄膜。

8.根据权利要求1所述的薄型热点池隔离片的制备方法，其特征是，步骤(2)中，干燥的具体过程为：首先在温度40-100℃下，干燥2-12小时；再于真空度为-0.05～-0.1Mpa，温度范围为40-100℃的条件下，干燥时间2-12h。

9.根据权利要求1所述的薄型热点池隔离片的制备方法，其特征是，步骤(2)中，所述压制的具体过程为：在湿度不大于3％的条件下，将经干燥固化后的热电池隔离片于2-15Mpa下压制5s-1min，制得。

10.采用权利要求1-9任一项所述的薄型热点池隔离片的制备方法制备得到的薄型热电池隔离片。