CN108878917B - 一种热电池用缓释供热装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了热电池应用技术领域的一种热电池用缓释供热装置，包括电池外壳，所述电池外壳内设有电池堆，所述电池堆的外部包覆有复合绝缘隔热层，所述复合绝缘隔热层与电池堆贴合，所述复合绝缘隔热层的外表面缠绕有螺旋缠绕热管，所述螺旋缠绕热管的内部填充有加热材料，所述螺旋缠绕热管的两端设有密封胶带；所述电池外壳内还设有保温层，所述保温层位于螺旋缠绕热管与电池外壳之间。采用本方案可以极大增强热量利用效率，减少电池电池堆激活瞬间的热冲击程度，适合长时间工作的热电池。

Description

一种热电池用缓释供热装置

技术领域

本发明属于热电池应用技术领域，具体涉及一种热电池用缓释供热装置。

背景技术

热电池又称热激活电池，以共晶熔融盐作为电解质，使用电激活或机械激活等方式引燃内部烟火源，在短时间内释放大量的热量令共晶熔融盐由固态变为液态电解液，从而使得接触电解液的正负极发生电化学反应并开始供电的一种一次电池。

热电池是依靠内部热量工作的一种电池，且电池工作时的内部温度在500℃以上，这就导致热电池必须具备良好的保温措施才能令其在长时间(大于半小时)内维持共晶熔融盐的溶解温度，否则一旦内部温度降低到相变温度以下，共晶熔融盐会立即从液态转变为固态，导致反应立刻终止。而由传热学原理可知，热电池工作时的内部温度与环境温度有着几百摄氏度的温差，如此大的温度梯度使得热电池内部的热量快速向外部低温环境逸散，而由能量守恒可知，电池一旦激活后，内部热能不断减少，电池表面温度不断升高，这种趋势不能阻断，只能通过相关手段不断减弱。

在过去的热电池设计中，为了令热电池的工作时间达到半小时以上，通常需要在电池堆内添加过量的加热粉来应对热量的消耗，同时，电池壳体内表面采用气凝胶作为隔热材料，来减缓内部热量的逸散速率。

然而针对上述措施，由于在电池的激活瞬间电池堆内的铁粉和高氯酸钾即会完全反应释放大量热量，在短时间内会对电池正负极形成剧烈的热冲击，导致正负极材料部分分解，存在一定的安全隐患。虽然气凝胶的导热系数极低，但由于电池激活瞬间就将热量一次性释放，在高温差下其隔热效率并不十分理想。

发明内容

本发明意在提供一种热电池用缓释供热装置，以解决现有技术中热电池激活后热量一次性释放造成初始阶段热量大量溢散以及正极活性材料因剧烈热冲击分解导致正极材料利用率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种热电池用缓释供热装置，包括电池外壳，所述电池外壳内设有电池堆，所述电池堆的外部包覆有复合绝缘隔热层，所述复合绝缘隔热层与电池堆贴合，所述复合绝缘隔热层的外表面缠绕有螺旋缠绕热管，所述螺旋缠绕热管的内部填充有加热材料，所述螺旋缠绕热管的两端设有密封胶带；所述电池外壳内还设有保温层，所述保温层位于螺旋缠绕热管与电池外壳之间。

本发明的工作原理及其有益效果：

本方案中的热电池用缓释供热装置，采用分时激活，二次供热的方式提供热量，平衡内部温度，提高热量利用效率，减少热量逸散；其中复合绝缘隔热层不会与电池堆发生副反应，具备良好的热稳定性和绝缘性，在保障电池稳定工作的同时能使螺旋缠绕热管在恰当的时间段激活；而且螺旋缠绕热管具备良好的韧性和导热性，能有效的固定在电池内部，同时能在电池堆溢散的热量透过复合绝缘隔热层使得螺旋缠绕热管温度达到加热材料燃点的瞬间引燃内部加热材料，实现高效利用热量的目的；该装置激活后，螺旋缠绕热管开始工作后，将形成一个新的高温工作区域，该高温工作区域将对热电池堆形成逆温差，致使电池堆内部热量不再逸散，反而开始接受该工作区域的热量供应，使内部温度趋于一个稳定范围，且在该高温工作区域的热量透过保温层逸散完毕前，电池堆内部工作温度不会降低。本方案与现有技术相比，可以极大增强热量利用效率，减少电池电池堆激活瞬间的热冲击程度，提高正负极材料利用率，适合热电池进行长时间放电。

以下是对基础技术方案的优化：

进一步，所述复合绝缘隔热层由绝缘隔热材料和石墨纸制成，所述绝缘隔热材料包括：陶瓷纤维毡、气凝胶、石棉纸和云母中的至少一种。因为石墨纸可以用来吸收热量，而陶瓷纤维毡、气凝胶、石棉纸和云母的保温系数不一样，可以根据不同的放电情况对其进行组合并适时调整进而达到更好的保温效果。

进一步，所述密封胶带为聚酰亚胺胶带或玻璃纤维带。电池堆释放热量时，会产生很高的温度，所以密封胶带采用聚酰亚胺胶带或玻璃纤维带，因为聚酰亚胺胶带或玻璃纤维带均属于耐高温材料。

进一步，所述螺旋缠绕热管由铝、镍、铝合金或镍合金制成。因为铝、镍、铝合金或镍合金具有良好的可塑性和导热性，所以制作时更加方便并且便于安装操作。

进一步，所述螺旋缠绕热管的外径为3～10mm，内径为2mm～8mm。因为电池的外壳尺寸是固定的，如果螺旋缠绕热管的管径过大，那么电池堆就会相应的减小，这样就容易导致电流密度增大，进而降低了放电性能，若管径过小，则不便于制作和安装。

进一步，所述加热材料由83～88％的铁粉和12～17％的高氯酸钾制成。采用铁粉和高氯酸钾，并且通过这样的配比就有效的防止了热量冲击过高而不可控制。

附图说明

图1为本发明一种热电池用缓释供热装置结构示意图；

图2为图1中螺旋缠绕热管的结构示意图；

图3为本发明一种热电池用缓释供热装置的电池放电曲线图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：电池外壳1、保温层2、螺旋缠绕热管3、复合绝缘隔热层4、电池堆5。

实施例如附图1和附图2所示：一种热电池用缓释供热装置，包括电池外壳1，电池外壳1内设有电池堆5，电池堆5的外部包覆有复合绝缘隔热层4，复合绝缘隔热层4与电池堆5贴合，复合绝缘隔热层4的外表面缠绕有螺旋缠绕热管3，螺旋缠绕热管3的内部填充有加热材料，螺旋缠绕热管3的两端设有密封胶带；电池外壳1内还设有保温层2，保温层2位于螺旋缠绕热管3与电池外壳1之间。

本发明提供的用于长时间工作的热电池用缓释供热装置的制备方法，具体是：首先在惰性氛围手套箱中将铁粉和高氯酸钾按既定比例混合均匀，制成加热材料；将铝制或镍制金属通孔管用机械或手工在辅助模具下缠绕成螺旋状，将制备好的加热粉料倾灌进金属通孔管内，灌满后用聚酰亚胺胶带封闭端口位置，制成螺旋缠绕热管3；取适量的绝缘隔热材料和石墨纸制成复合绝缘隔热层4，石墨纸必须置于绝缘隔热材料中间；电池的电池堆5由加热材料，正极粉料，隔膜材料，负极材料，金属集流体等共同构建，所有电池堆5材料外观均为圆片状。典型长时间工作的热电池装配时按照先组装电池堆5，再紧贴复合绝缘隔热层4，再套上螺旋缠绕热管3，再外裹气凝胶，再放入金属圆筒外壳中的方式制成，最后采用氩弧焊或激光焊的方式焊接密封电池盖和电池外壳1即可。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例：

实施例一，正极材料活性物质为二硫化铁和二硫化钴，二者质量比为1:1，加热材料为铁粉和高氯酸钾粉末，二者质量比为84:16，隔膜材料为氧化镁和氯化锂-氯化钾-溴化锂共晶熔盐，二者质量比为50:50，负极材料为锂硼合金，将加热材料，正极材料，隔膜材料放入74mm直径的模具中铺平，再放上锂硼合金片，金属集流体，一次压制成型，形成典型的热电池单体结构，将47个这样的单体结构叠加，组成热电池的电池堆5。其中，单体正极材料质量为13.5g，单体隔膜材料质量为4.9g，单体锂硼合金质量为3.0g，单体加热材料质量为10.1g。以气凝胶，陶瓷纤维毡，石墨纸构成复合绝缘隔热层4，其中陶瓷纤维毡紧贴热电池的电池堆5，石墨纸置于陶瓷纤维毡和气凝胶中间。采用圆管状外观的铝合金管，螺旋缠绕热管3外径为8mm，内径为6mm，添加148.6g的加热材料后，用聚酰亚胺胶带封接端口，形成空间结构，将其安装在复合绝缘隔热层4表面。最后再缠绕上3mm厚的气凝胶，装入102mm直径的金属筒体中，密封完毕后即构成一个典型的长时间工作热电池。该热电池以4A进行恒流放电，期间叠加100个脉冲宽度为0.1s的60A脉冲，放电结果如附图3所示。以截至电压64V计算，其工作时间达到3766s，最低脉冲电压59.67V，比能量为114.8Wh/kg。

实施例二，正极材料活性物质为二硫化铁和二硫化钴，二者质量比为1:1，加热材料为铁粉和高氯酸钾粉末，二者质量比为84:16，隔膜材料为氧化镁和氯化锂-氯化钾-溴化锂共晶熔盐，二者质量比为50:50，负极材料为锂硼合金，将加热材料，正极材料，隔膜材料放入74mm直径的模具中铺平，再放上锂硼合金片，金属集流体，一次压制成型，形成典型的热电池单体结构，将47个这样的单体结构叠加，组成热电池的电池堆5。其中，单体正极材料质量为15.5g，单体隔膜材料质量为5.0g，单体锂硼合金质量为3.0g，单体加热材料质量为10.8g。以云母带，石棉纸，石墨纸构成复合绝缘隔热层4，其中石棉纸紧贴热电池的电池堆5，石墨纸置于石棉纸和云母带中间。采用如附图2所示圆角矩形外观的镍管，螺旋缠绕热管3外径为10mm，内径为7.6mm，添加172.1g的加热材料后，用聚酰亚胺胶带封接端口，形成空间结构，将其安装在复合绝缘隔热层4表面。最后再缠绕上3mm厚的气凝胶，装入102mm直径的金属筒体中，密封完毕后即构成一个典型的长时间工作热电池。该热电池以4A进行恒流放电，期间叠加100个脉冲宽度为0.1s的60A脉冲，以截至电压64V计算，其工作时间达到3664s，最低脉冲电压57.88V，比能量为110.3Wh/kg。

实施例三，正极材料活性物质为二硫化钴，加热材料为铁粉和高氯酸钾粉末，二者质量比为84:16，隔膜材料为氧化镁和氯化锂-氯化钾-溴化锂共晶熔盐，二者质量比为50:50，负极材料为锂硼合金，将加热材料，正极材料，隔膜材料放入74mm直径的模具中铺平，再放上锂硼合金片，金属集流体，一次压制成型，形成典型的热电池单体结构，将47个这样的单体结构叠加，组成热电池的电池堆5。其中，单体正极材料质量为19.2g，单体隔膜材料质量为4.8g，单体锂硼合金质量为3.0g，单体加热材料质量为11.5g。以陶瓷纤维毡，云母带，石墨纸构成复合绝缘隔热层4，其中陶瓷纤维毡紧贴热电池的电池堆5，石墨纸至于陶瓷纤维毡和石棉纸中间。采用如附图2所示圆管状外观的铝管，螺旋缠绕热管3外径为8mm，内径为6mm，添加148.6g的加热材料后，用聚酰亚胺胶带封接端口，将其安装在复合绝缘隔热层4表面。最后再缠绕上3mm厚的气凝胶，装入102mm直径的金属筒体中，密封完毕后即构成一个典型的长时间工作热电池。该热电池以4A进行恒流放电，期间叠加100个脉冲宽度为0.1s的60A脉冲，以截至电压64V计算，其工作时间达到3612s，最低脉冲电压52.9V，比能量为95.3Wh/kg。

本发明公布的热电池用缓释供热装置，结构强度好，质量占比轻，同时具备优异的绝缘性能，可提升电池安全性；减少了长时间工作热电池的电池堆5中的加热材料用量，从而减少电池激活瞬间的热冲击量，同时采用分时激活，二次供热的方式来提供热源，使电池内部温度在长时间内能维持在一个稳定范围，极大提升了材料的利用率，提升了热电池长时间工作的比能量。

本发明虽然已选取较好实施例公开如上，但并不用于限定本发明。任何本领域研究人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可采用上述公开实施例中的设计参数和内容对本发明的研究方案进行变动和修改，因此，凡是未脱离本发明方案的内容，依据本发明的研究实质对上述实施例所作的任何简单修改，参数变化及修饰，均属于本发明方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种热电池用缓释供热装置，包括电池外壳，其特征在于：所述电池外壳内设有电池堆，所述电池堆的外部包覆有复合绝缘隔热层，所述复合绝缘隔热层与电池堆贴合，所述复合绝缘隔热层的外表面缠绕有螺旋缠绕热管，所述螺旋缠绕热管的内部填充有加热材料，所述螺旋缠绕热管的两端设有密封胶带；所述电池外壳内还设有保温层，所述保温层位于螺旋缠绕热管与电池外壳之间；所述复合绝缘隔热层由绝缘隔热材料和石墨纸制成，石墨纸置于绝缘隔热材料中间，所述绝缘隔热材料包括：陶瓷纤维毡、气凝胶、石棉纸和云母中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的热电池用缓释供热装置，其特征在于：所述密封胶带为聚酰亚胺胶带或玻璃纤维带。

3.根据权利要求2所述的热电池用缓释供热装置，其特征在于：所述螺旋缠绕热管由铝、镍、铝合金或镍合金制成。

4.根据权利要求3所述的热电池用缓释供热装置，其特征在于：所述螺旋缠绕热管的外径为3～10mm，内径为2mm～8mm。

5.根据权利要求4所述的热电池用缓释供热装置，其特征在于：所述加热材料由83～88％的铁粉和12～17％的高氯酸钾制成。

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