CN107482235B - 一种锂-亚硫酰氯电池及其制备方法 - Google Patents

一种锂-亚硫酰氯电池及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种锂‑亚硫酰氯电池，包括外壳和芯体，芯体包括包膜、填充物、集流体、填充物和阳极片，填充物中均匀分布若干集流柱，该锂‑亚硫酰氯电池的制备方法包括制备填充料、电池芯以及组装等步骤；本发明的有益效果是：锂电池芯内部设有均匀分布的集流柱，可以有效分散锂电池放电时产生的沉淀，避免了产物过于集中而产生的过热现象，还可增加锂电池对温度的耐受能力，使得锂电池可应用于温度较高的环境中，填充物制备过程中保持了乙炔黑的多孔碳形态特征，增加了阴极载体的导电性能，采用二次模压成型，避免了碳间隙过大而富集放电产物的缺点，填充物均匀性好还能提高其电导率，从而实现大电流放电或大电流脉冲。

Description

一种锂-亚硫酰氯电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂电池领域，尤其涉及一种锂-亚硫酰氯电池及其制备方法。
背景技术
近年来，随着锂-亚硫酰氯(Li-SOCl2)电池在石油开采、地质勘探中应用，使得耐高温锂-亚硫酰氯电池得到了长足的发展。耐高温锂-亚硫酰氯电池随着井下测量仪在钻头、钻杆带动下逐步进入地下，不仅要承受越来越高的温度考验，同时还要承受钻头、钻杆的冲击和震动。根据相关标准要求，随钻下井的电池组件要能够承受-40℃～200℃温度的环境考验，同时还能够承受振动加速度196m/s2、冲击加速度455m/s2、半正弦波形11ms的严苛工况考验。锂-亚硫酰氯电池具有比能量高、比功率大、放电电压平稳、温度适用范围广、储存寿命长等特性，被科技工作者和工程技术人员看好，并在航空航天、水中兵器、导航设备、地质勘探、仪器仪表等军事装备和民用工业中得到广泛的应用。锂-亚硫酰氯电池是目前电池领域中比能量和比功率最高的一种电池。
一般认为锂-亚硫酰氯电池的整体反应机理为：4Li+2SOCl2＝4LiCl+S+SO2，硫和二氧化硫最初可溶于过量的亚硫酰氯中，但随着电池的放电，过多的二氧化硫会导致电池产生一定的压力，同时，放电产生的氯化锂也不能溶于多孔碳阴极而析出，在放电行将结束时，硫也可能在电池阴极和隔膜中沉积，还可能与锂的反应而引起锂电池热失控，成为导致锂-亚硫酰氯电池的肿胀或爆炸的主要因素。
常规的锂-亚硫酰氯电池的结构一般包括壳体、电池芯体、电解液，电池芯体为多层卷状结构，依次包括隔膜、阴极极片、隔膜和阳极极片，采用“抛丸式”和“挤膏式”碳包阴极的方法制备，制备流程为：和粉→抛丸→干燥→纤维化，采用这种工艺生产的电池阴极，由于在生产过程中没有压实工艺，其碳阴极载体的电导率较低，无法满足电池大电流放电或大电流脉冲的技术要求，只能适用于小电流放电的应用领域，此外，该方法制备的锂-亚硫酰氯电池芯体的结构不能有效分散放电过程中产生的氯化锂、二氧化硫和硫，降低了锂电池的安全性和稳定性。
发明内容
本发明针对现有锂-亚硫酰氯电池放电电流小、放电产物分散不均匀的问题，提供一种锂-亚硫酰氯电池及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种锂-亚硫酰氯电池，其特征在于：包括外壳和芯体，所述芯体包括包膜、集流体、填充物和阳极片，所述包膜为一端封闭一端开口的空心柱，内部填充有所述填充物，所述集流体为一侧带有金属凸柱的金属薄片，所述金属凸柱穿过所述包膜和所述外壳形成所述锂-亚硫酰氯电池的正极，所述阳极片与所述包膜开口端密闭连接，所述外壳与所述阳极片的边缘密闭连接，所述阳极片外露部分形成所述锂-亚硫酰氯电池的负极，所述集流体另一侧设有若干集流柱。
进一步，所述集流柱成分为镍、钛或铂中的一种，数量为2-5根。
进一步，所述集流柱平行于所述包膜轴向方向均匀分布在所述填充物中，且不与所述阳极片接触。
进一步，按重量分数计，所述填充物由以下组分组成：
其中，聚四氟乙烯乳液的浓度为60wt％，表面活性剂为阴离子聚丙烯酰胺或十二烷基苯磺酸钠中的一种。
本发明锂-亚硫酰氯电池的有益效果是：锂电池芯内部设有均匀分布的集流柱，可以有效分散锂电池放电时产生的沉淀，避免了产物过于集中而产生的过热现象，增加了锂电池的安全性和稳定性，放电产物分散均匀还可增加锂电池对温度的耐受能力，使得锂电池可应用于温度较高的环境中。
更进一步，所述锂-亚硫酰氯电池的制备方法，包括以下步骤：
1)制备填充物：按重量分数分别称取各组分，启动搅拌机保持搅拌状态，分别将去离子水、异丙醇、表面活性剂、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按顺序加入到搅拌机料桶内制得膏料，将膏料置入烘箱内，200℃-240℃烘干8-12h后取出，放入粉碎机中粉碎成直径3～5mm的颗粒，制得填充物颗粒；
2)制备电池芯：将填充物颗粒放入真空干燥箱，200℃-240℃脱水8-12h后置入模具中，50-70bar施压5-10min，取出，插入集流柱，再次置入模具中100-150bar施压10-15min，制得电池芯；
3)制备锂-亚硫酰氯电池：将电池芯装入包膜，真空注入锂-亚硫酰氯电解液，用阳极片封口，在外壳内壁上均匀涂抹一层绝缘胶，把封口后的电池芯装入外壳，压实后静置，制得锂-亚硫酰氯电池。
本发明锂-亚硫酰氯电池的制备方法的有益效果是：填充物制备过程中保持了乙炔黑的多孔碳形态特征，增加了阴极载体的导电性能；采用二次模压成型，避免了碳间隙过大而富集放电产物的缺点，填充物均匀性好还能提高其电导率，从而实现大电流放电或大电流脉冲。
附图说明
图1为锂-亚硫酰氯电池正面剖视图，其中，各部分分别为：
1 包膜，
2 集流体，
2-1 金属凸柱，
2-2 金属薄片，
2-3 集流柱，
3 填充物，
4 阳极片，
5 外壳。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行描述，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
一种锂-亚硫酰氯电池，其特征在于：包括外壳5和芯体，所述芯体包括包膜1、集流体2、填充物3和阳极片4，所述包膜1为一端封闭一端开口的空心柱，内部填充有所述填充物3，所述集流体2为一侧带有金属凸柱2-1的金属薄片2-2，所述金属凸柱2-1穿过所述包膜1和所述外壳5形成所述锂-亚硫酰氯电池的正极，所述阳极片4与所述包膜1开口端密闭连接，所述外壳5与所述阳极片4的边缘密闭连接，所述阳极片4外露部分形成所述锂-亚硫酰氯电池的负极，所述集流体2另一侧设有若干集流柱2-3，所述集流柱2-3成分为镍，数量为2根，平行于所述包膜1轴向方向均匀分布在所述填充物3中，且不与所述阳极片4接触。
其中，按重量分数计，所述填充物由以下组分组成：
实施例2
一种锂-亚硫酰氯电池，其特征在于：包括外壳5和芯体，所述芯体包括包膜1、集流体2、填充物3和阳极片4，所述包膜1为一端封闭一端开口的空心柱，内部填充有所述填充物3，所述集流体2为一侧带有金属凸柱2-1的金属薄片2-2，所述金属凸柱2-1穿过所述包膜1和所述外壳5形成所述锂-亚硫酰氯电池的正极，所述阳极片4与所述包膜1开口端密闭连接，所述外壳5与所述阳极片4的边缘密闭连接，所述阳极片4外露部分形成所述锂-亚硫酰氯电池的负极，所述集流体2另一侧设有若干集流柱2-3，所述集流柱2-3成分为钛，数量为4根，平行于所述包膜1轴向方向均匀分布在所述填充物3中，且不与所述阳极片4接触。
其中，按重量分数计，所述填充物由以下组分组成：
实施例3
一种锂-亚硫酰氯电池，其特征在于：包括外壳5和芯体，所述芯体包括包膜1、集流体2、填充物3和阳极片4，所述包膜1为一端封闭一端开口的空心柱，内部填充有所述填充物3，所述集流体2为一侧带有金属凸柱2-1的金属薄片2-2，所述金属凸柱2-1穿过所述包膜1和所述外壳5形成所述锂-亚硫酰氯电池的正极，所述阳极片4与所述包膜1开口端密闭连接，所述外壳5与所述阳极片4的边缘密闭连接，所述阳极片4外露部分形成所述锂-亚硫酰氯电池的负极，所述集流体2另一侧设有若干集流柱2-3，所述集流柱2-3成分为铂，数量为5根，平行于所述包膜1轴向方向均匀分布在所述填充物3中，且不与所述阳极片4接触。
其中，按重量分数计，所述填充物由以下组分组成：
实施例1-3锂-亚硫酰氯电池的制备方法，包括以下步骤：
1)制备填充物：按重量分数分别称取各组分，启动搅拌机保持搅拌状态，分别将去离子水、异丙醇、表面活性剂、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按顺序加入到搅拌机料桶内制得膏料，将膏料置入烘箱内，200℃-240℃烘干8-12h后取出，放入粉碎机中粉碎成直径3～5mm的颗粒，制得填充物颗粒；
2)制备电池芯：将填充物颗粒放入真空干燥箱，200℃-240℃脱水8-12h后置入模具中，50-70bar施压5-10min，取出，插入集流柱，再次置入模具中100-150bar施压10-15min，制得电池芯；
3)制备锂-亚硫酰氯电池：将电池芯装入包膜，真空注入锂-亚硫酰氯电解液，用阳极片封口，在外壳内壁上均匀涂抹一层绝缘胶，把封口后的电池芯装入外壳，压实后静置，制得锂-亚硫酰氯电池。
表1是实施例1-3锂-亚硫酰氯电池与常规锂-亚硫酰氯电池性能对比，可以看出，本发明锂-亚硫酰氯电池在150℃的温度下可稳定放电且可以长时间存储，具有耐高温的性能，在短路时不会发生肿胀或爆炸。
表1.实施例1-3锂-亚硫酰氯电池与常规锂-亚硫酰氯电池性能对比
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 (3)

1.一种锂-亚硫酰氯电池，其特征在于：包括外壳和芯体，所述芯体包括包膜、集流体、填充物和阳极片，所述包膜为一端封闭一端开口的空心柱，内部填充有所述填充物，所述集流体为一侧带有金属凸柱的金属薄片，所述金属凸柱穿过所述包膜和所述外壳形成所述锂-亚硫酰氯电池的正极，所述阳极片与所述包膜开口端密闭连接，所述外壳与所述阳极片的边缘密闭连接，所述阳极片外露部分形成所述锂-亚硫酰氯电池的负极，所述集流体另一侧设有2-5根集流柱，所述集流柱平行于所述包膜轴向方向均匀分布在所述填充物中，且不与所述阳极片接触，所述集流柱成分为镍、钛或铂中的一种。
2.根据权利要求1所述的锂-亚硫酰氯电池，其特征在于，按重量分数计，所述填充物由以下组分组成：
其中，聚四氟乙烯乳液的浓度为60wt％，表面活性剂为阴离子聚丙烯酰胺或十二烷基苯磺酸钠中的一种。
3.一种权利要求1或2所述锂-亚硫酰氯电池的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备填充物：按重量分数分别称取各组分，启动搅拌机保持搅拌状态，分别将去离子水、异丙醇、表面活性剂、乙炔黑和聚四氟乙烯乳液按顺序加入到搅拌机料桶内制得膏料，将膏料置入烘箱内，200℃-240℃烘干8-12h后取出，放入粉碎机中粉碎成直径3～5mm的颗粒，制得填充物颗粒；
2)制备电池芯：将填充物颗粒放入真空干燥箱，200℃-240℃脱水8-12h后置入模具中，50-70bar施压5-10min，取出，插入集流柱，再次置入模具中100-150bar施压10-15min，制得电池芯；
3)制备锂-亚硫酰氯电池：将电池芯装入包膜，真空注入锂-亚硫酰氯电解液，用阳极片封口，在外壳内壁上均匀涂抹一层绝缘胶，把封口后的电池芯装入外壳，压实后静置，制得锂-亚硫酰氯电池。
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