CN109370531B - 一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法 - Google Patents

一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于热电池技术领域，尤其是一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法；所述的热电池用缓冲储热材料的制备方法为：将无水LiCl、轻质MgO分别进行预处理，然后将处理过的无水LiCl、轻质MgO按一定的比例混合均匀，经过球磨、煅烧、冷却、粉碎制成热缓冲储热材料；该热缓冲储热材料的应用为：将热缓冲储热材料制成圆片，叠放在热电池电池堆的的内部。本发明提供的热缓冲储热材料能够在热电池工作前期迅速吸收“过剩”的热量，工作后期放出吸收的“过剩”热量，避免出现中间温度高而使电池正极材料分解，利用率下降，以及发生热式失控，导致电池熔穿、发生爆炸等问题；同时避免电池两端温度低，电池的内阻变大，影响其承载能力。

Description

一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法
技术领域
本发明属于电池领域，尤其是一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法。
背景技术
热电池是一种热激活储备电源，是以固态熔盐作电解质，利用自身的加热源把固态熔盐加热熔融成离子型导体而进入工作状态的一次性电池，工作时内部温度在550℃左右。由于它内阻小,具有很高的比能量和比功率、使用环境温度宽、贮存时间长、激活迅速可靠、结构紧凑、使用时无方向性不受安装方位的影响、具有良好的力学性能、不需要维护等优点，一问世就受到军界的青睐，发展成为导弹、核武器、火炮、弹射椅、黑匣子等现代化武器和应急系统的理想电源。
热电池工作主要靠激活瞬间放出热电池工作期间所需要的大量热量，后期通过保温技术来维持电解质长时间处于熔融状态，保证电池正常工作。在电池的热设计时，目前主要有加热源同等用量设计方法；该种方式使得电池的装配简单，不容易发烧加热源错装情况，但是，采用加热源同等用量装配的电池激活后热冲击温度高，并且随着电池工作时间的延长，电池内部温度分布为中间高、两端低，中部的温度在较长时间段里温度高于正极材料的分解温度，使得电池正极材料分解，利用率下降，电池的工作时间缩短，严重时会发生热失控，导致电池壳体熔穿，发生爆炸等问题，两端温度低，使得电池的两端单体电池的内阻较大，影响电池的承载能力。为解决以上问题，有相关报道提出了一种梯度用量热设计的方式，该种热设计方式虽然不会出现电池内部温度分布为中间高、两端低的问题，但是，由于电池中部的加热源用量较少，会延长电池的激活时间，并且在电池装配时，不可避免的会出现错装情况。
另外，为适应武器装备的使用要求，在工程应用上，热电池需要同时满足在-55℃～+70℃的环境下使用，在如此苛刻的使用范围内，电池的内部热量控制更加困难。因此，针对以上问题，提出了一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法，由此解决了同等用量加热源热电池出现的工作过程中内部温度中间高、两端低的问题。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法，具体是通过以下技术方案实现的。
一种电池用热缓冲储热材料的制备方法为：先将无水LiCl、轻质MgO分别进行预处理，然后将处理后的无水LiCl、轻质MgO按一定的混合均匀，在环境湿度小于3％的条件下球磨30min～60min，再在650℃～750℃条件下煅烧4h～8h，在环境湿度小于3％的条件下冷却，并粉碎成80目～100目的粉末，得到热缓冲储热材料。
优选地，所述的无水LiCl的预处理为：将无水LiCl在真空度小于-0.08MPa、120℃～175℃条件下干燥8h～16h，再在湿度小于3％的环境中球磨4h～8h。
优选地，所述的轻质MgO的预处理为：将轻质MgO在600℃～800℃高温煅烧4h～8h，冷却后，在环境湿度小于3％的环境中采用气流粉碎方法将MgO粉碎至10μm～30μm。
优选地，所述的的处理后的无水LiCl、轻质MgO的比例为50～80：20～50。
优选地，所述的热缓冲储热材料的相变温度在610℃，相变热在240J/g～380J/g之间。
优选地，所述的热缓冲储热材料应用为：通过粉末压片法将热缓冲储热材料制成圆片，叠放在热电池电池堆的的内部。
优选地，所述的热缓冲储热材料应用，具体包括以下过程：
(1)将石棉垫片与石棉环在400℃条件下煅烧4h后，备用；
(2)根据电池热缓冲储热需要，将一定量的热缓冲储热材料在所需直径的模具中铺平，放入石棉环，在15kN/cm2的压力下压制成圆片，备用；
(3)准备好的热缓冲储热材料的圆片与石棉垫片按照一定的叠装顺序叠装在电池堆中，得到单元热电池。
优选地，所述的石棉环的外径与内径差值为3mm，厚度为0.5mm～1mm。
本发明的有益效果在于：
本发明制备的热缓冲储热材料相变温度为610℃，能迅速吸收电池在激活工作初期释放出的“过剩”热量，降低电池内部的温度，防止温度过高导致正极材料分解，同时在工作后期，随着电池的内部温度降低而释放出热量，延长电池的热寿命，从而延长电池的工作时间，保证电池从激活到工作结束，内部温度始终在一个相对稳定的工作温度区间内，避免了电池热失控的发生，提高电池发生安全性。将该热缓冲储热材料应用在热电池中，一方面解决了热电池在同等用量加热源叠装时，导致的电池内部的温度出现中部高、两端低的问题；另一方面又能避免热电池在梯度用量加热源叠装时的错装问题。本发明将轻质MgO进行预处理后，具有更好的吸附性能，能抑制热电池在工作时电解质的流动，再通过石棉环与石棉垫片的隔离作用，使得LiCl在发生相变转变成熔融状态后，不发生流淌而使电池短路。本发明制备的热缓冲储热材料的相变温度在610℃左右，相变热为240J/g～380J/g，应用在热电池中，电池的工作时间延长10％以上。
附图说明
图1为热缓冲储热材料与石棉环压制成的热缓冲储热圆片，1为热缓冲储热材料，2为石棉环
图2为热缓冲储热圆片在两组33个单体串联后再并联的电池堆内的装配图：1为热缓冲储热圆片；2为石棉垫片；3为保温层；4为33个单体串联电池。
图3为热缓冲储热圆片在90个单体电池串联的电池堆内的装配图：1为热缓冲储热圆片；2为石棉垫片；3为保温层；4为30个单体串联电池
具体实施方式
下面结核具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的限定，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
实施例1：热缓冲储热材料的制备
将无水LiCl(AR)在真空度小于-0.08MPa、175℃条件下干燥8h，之后在环境湿度小于3％的环境中球磨6h，得到处理后的无水LiCl；将轻质MgO在600℃高温煅烧8h，冷却后，在环境湿度小于3％的环境中采用气流粉碎方法将MgO粉碎至10μm～30μm，得到轻质超细MgO；再将处理后的无水LiCl与轻质超细MgO按照70：30的比例混合均匀，在环境湿度小于3％的条件下球磨40min，再在650℃条件下煅烧8h，在环境湿度小于3％的条件下冷却，并粉碎成80目的粉末，得到热缓冲储热材料1，经过测试，该热缓冲储热材料的相变热为330J/g，相变温度为610℃。
实施例2：热缓冲储热材料的制备
将无水LiCl(AR)在真空度小于-0.08MPa、150℃条件下干燥16h，之后在环境湿度小于3％的环境中球磨6h，得到处理后的无水LiCl；将轻质MgO在800℃高温煅烧4h，冷却后，在环境湿度小于3％的环境中采用气流粉碎方法将MgO粉碎至10μm～30μm，得到轻质超细MgO；再将处理后的无水LiCl与轻质超细MgO按照60:40的比例混合，在环境湿度小于3％的条件下球磨60min，再在700℃条件下煅烧6h，在环境湿度小于3％的条件下冷却，并粉碎成80目的粉末，得到热缓冲储热材料2，该热缓冲储热材料的相变热为285J/g，相变温度为610℃。
实施例3：热缓冲储热材料的制备
将无水LiCl(AR)在真空度小于-0.08MPa、145℃条件下干燥15h，之后在环境湿度小于3％的环境中球磨8h，得到处理后的无水LiCl；将轻质MgO在700℃高温煅烧5h，冷却后，在环境湿度小于3％的环境中采用气流粉碎方法将MgO粉碎至10μm～30μm，得到轻质超细MgO；再将处理后的无水LiCl与轻质超细MgO按照50:50的比例混合均匀，在环境湿度小于3％的条件下球磨60min，再在700℃条件下煅烧6h，在环境湿度小于3％的条件下冷却，并粉碎成100目的粉末，得到热缓冲储热材料3，该热缓冲储热材料的相变热为240J/g，相变温度为610℃。
实施例4：热缓冲储热材料的制备
将无水LiCl(AR)在真空度小于-0.08MPa、120℃条件下干燥16h，之后在环境湿度小于3％的环境中球磨4h，得到处理后的无水LiCl；将轻质MgO在800℃高温煅烧4h，冷却后，在环境湿度小于3％的环境中采用气流粉碎方法将MgO粉碎至10μm～30μm，得到轻质超细MgO；再将处理后的无水LiCl与轻质超细MgO按照80:20的比混合均匀，在环境湿度小于3％的条件下球磨60min，再在700℃条件下煅烧6h，在环境湿度小于3％的条件下冷却，并粉碎成80目的粉末，得到热缓冲储热材料4，该热缓冲储热材料的相变热为380J/g，相变温度为610℃。
实施例5：热缓冲储热材料的应用
以直径为Ф54mm的电极极片尺寸，两组33个单体串联后再并联的电池堆为例。将热缓冲储热材料1放入Ф54mm的模具中，摊平粉料，放入石棉环，盖上模具盖模，在15kN/cm2的压力下压制成热缓冲储热片，结构图图1所示。再按照图2所示的电堆装配结构装配单元热电池，经测试，电池分别在-40℃、+60℃贮存6h后放电，在-40℃条件下的电池的工作时间延长了11％；在+60℃条件下的电池的工作时间延长了15％。
实施例6：热缓冲储热材料的应用
以直径为Ф74mm的电极极片尺寸，90个单体电池串联的电池堆为例。将热缓冲储热材料2放入Ф74mm的模具中，摊平粉料，放入石棉环，盖上模具盖模，在15kN/cm2的压力下压制成片，结构图图1所示。再按照图3所示的电堆装配结构装配单元热电池，经测试，电池分别在-40℃、+60℃贮存6h后放电，在-40℃条件下的电池的工作时间延长了10％；在+60℃条件下的电池的工作时间延长了13％
实施例7：热缓冲储热材料的应用
以直径为Ф54mm的电极极片尺寸，两组33个单体串联后再并联的电池堆为例。将热缓冲储热材料3放入Ф54mm的模具中，摊平粉料，放入石棉环，盖上模具盖模，在15kN/cm2的压力下压制成热缓冲储热片，结构图图1所示。再按照图2所示的电堆装配结构装配单元热电池，经测试，电池分别在-40℃、+60℃贮存6h后放电，在-40℃条件下的电池的工作时间延长了10％；在+60℃条件下的电池的工作时间延长12％。
实施例8：热缓冲储热材料的应用
以直径为Ф74mm的电极极片尺寸，90个单体电池串联的电池堆为例。将热缓冲储热材料4放入Ф74mm的模具中，摊平粉料，放入石棉环，盖上模具盖模，在15kN/cm2的压力下压制成片，结构图图1所示。再按照图3所示的电堆装配结构装配单元热电池，经测试，电池分别在-40℃、+60℃贮存6h后放电，在-40℃条件下的电池的工作时间延长13％，在+60℃条件下的电池的工作时间延长16％。
在此有必要指出的是，以上实施例和试验例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和理解，不能理解为对本发明的技术方案做进一步的限定，本领域技术人员作出的非突出实质性特征和显著进步的发明创造，仍然属于本发明的保护范畴。

Claims (5)

1.一种热电池用热缓冲储热材料的制备方法，其特征在于，将无水LiCl、轻质MgO分别进行预处理，然后将处理后的无水LiCl、轻质超细MgO按一定的比例混合均匀，在环境湿度小于3%的条件下球磨30min～60min，再在650℃～750℃条件下煅烧4h～8h，在环境湿度小于3%的条件下冷却，并粉碎成80目～100目的粉末，得到热缓冲储热材料；
所述的无水LiCl的预处理为：将无水LiCl在真空度小于-0.08MPa、120℃～175℃条件下干燥8h～16h，再在湿度小于3%的环境中球磨4h～8h，得到处理后的无水LiCl；
所述的轻质MgO的预处理为：将轻质MgO在600℃～800℃高温煅烧4h～8h，冷却后，在环境湿度小于3%的环境中采用气流粉碎方法将MgO粉碎至10μm～30μm，得到轻质超细MgO；
所述的处理后的无水LiCl、轻质超细MgO的比例为50～80：20～50。
2.如权利要求1所述的热电池用热缓冲储热材料的制备方法，所述的热缓冲储热材料的相变温度在610℃，相变热在240J/g～380J/g。
3.如权利要求1所述的热电池用热缓冲储热材料的制备方法，其特征在于，所述的热缓冲储热材料的应用为：通过粉末压片法将热缓冲储热材料制成圆片，叠放在热电池电池堆的的内部制成单元热电池。
4.如权利要求3所述的热电池用热缓冲储热材料的制备方法，其特征在于，所述的热缓冲储热材料的应用，具体包括以下过程：
（1）将石棉垫片与石棉环在400℃条件下煅烧4h后，备用；
（2）根据电池热缓冲储热需要，将一定量的热缓冲储热材料在所需直径的模具中铺平，放入石棉环，在15kN/cm2的压力下压制成圆片，备用；
（3）准备好的热缓冲储热材料的圆片与石棉垫片按照一定的叠装顺序叠装在电池堆中，得到单元热电池。
5.如权利要求4所述的热电池用热缓冲储热材料的制备方法，其特征在于，所述的石棉环的外径与内径差值为3mm，厚度为0.5mm～1mm。
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