CN109378460B - 一种5Ah级热电池单体电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种5 Ah级热电池单体电池，以重量计，单体电池配方为：加热粉16份、正极粉20份、隔离粉5份和负极片5份；负极片由LiB合金片和LiSi合金粉末压制而成，LiSi合金粉末靠近隔离层，其中，LiB合金片的质量百分含量为80%，余份为LiSi合金粉末；该热电池单体电池以5C状态进行放电时，容量可达到5 Ah，激活时间小于1.0 s。本发明的5 Ah级热电池单体电池的直径为80 mm，厚度为3.7 mm，具有大容量、大功率的特性，激活时间短，所用原材料及零部件制备工艺均与常规热电池基本相同，可在不改造现有生产线的前提下进行大规模生产，生产过程通用性高，经济性好。

Description

一种5Ah级热电池单体电池
技术领域
本发明涉及热电池技术领域，具体涉及一种5Ah级热电池单体电池。
背景技术
热电池是用电池本身的加热系统，把不导电的固体状态盐类电解质加热熔融呈低阻离子型导体而进入工作状态的一次贮备电池。相较其它化学电源来说，其最大特点是激活时间短(1-5s)、无维护贮存时间长(15-20年)，放电倍率大(2C以上)，极其适合作为导弹等武器系统及各类应急电源使用。自韩国T50教练战斗机为代表开始使用热电池作为EPS系统的应急电源以来，大容量热电池受到了业界越来越多的关注。但是针对飞行器等使用的应急电源来说，此类大容量热电池要求单体电池具备容量达到5Ah以上，功率特性达到5C以上，单体激活时间不超过1.0s等特点，这对热电池的设计提出了极大的挑战。
与之对应，常规热电池单体的容量一般不超过1Ah，单体直径约在Φ75mm以下，厚度约为2mm。如果要达到提升容量的目的，常规的技术手段是增加单体厚度或是加大单体直径，但一味增加厚度必然影响热电池的激活时间和功率特性，不能满足性能要求，而一味加大单体直径则严重影响其生产工艺性，造成生产难度大、生产成本高等问题。
遗憾的是，关于此类大容量单体电池技术的公开报道并不多见。ASB集团下属的MSB公司的A.J.Clark和J.R.Sweeney等人开发了一种24Ah级的热电池单体，并将其应用于韩国T50教练战斗机。该单体电池的厚度约为6.7mm，直径为Φ140mm，激活时间1.5s左右，虽然其容量和输出功率均极为可观，但因其厚度原因难以进一步缩短激活时间，且单体直径过大，工艺设备成本高、良品率低，经济性能不佳。因此，目前大容量单体电池的主要技术难点在于提高单体电池容量的前提下，还能保证其激活时间和功率特性。
现有技术中，热电池的组成通常包括：加热系统、负极、正极、隔离层。虽然已公开的资料中热电池的负极组成可以是LiSi(锂硅)合金或LiB(锂硼)合金，但是尚缺乏负极材料组成同时含有LiSi合金和LiB合金的相关研究数据。
对现有技术所使用的热电池材料的组份和配比进行优化，从电极材料入手，使用复合处理的正极和负极材料(同时含有LiSi合金和LiB合金)，提高电化学活性物质的利用率，有望获得具有5Ah容量的同时，激活时间依然小于1.0s，既保证具有大容量特性，满足激活特性和功率性能，又能同时考虑单体尺寸的可加工性的5Ah级热电池单体电池。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，使用LiB合金片和LiSi合金粉末复合处理的负极材料，与复合处理的正极材料进行匹配，并通过对四种极片的组份或配比的优选范围进行试验验证，提供一种5Ah级热电池单体电池，在保证热电池单体电池具有5Ah容量的同时，其激活时间依然小于1.0s。
为了达到上述目的，本发明提供了一种5Ah级热电池单体电池，以重量计，单体电池配方为：加热粉16份、正极粉20份、隔离粉5份和负极片5份；所述的加热粉由超细铁粉和KClO4组成；所述的正极粉由CoS2、FeS2、Li2O、导电石墨和全锂电解质组成，其中，CoS2的质量百分含量为40％，FeS2的质量百分含量为40％，Li2O的质量百分含量为2％，导电石墨的质量百分含量为5％，余份为全锂电解质。所述的全锂电解质的化学组成为LiF、LiCl和LiBr。所述的隔离粉由全锂电解质和MgO组成。所述的负极片由LiB合金片和LiSi合金粉末压制而成，LiSi合金粉末靠近隔离层，其中，LiB合金片的质量百分含量为80％，余份为LiSi合金粉末。该热电池单体电池以5C状态进行放电时，容量超过5Ah，激活时间小于1.0s。
较佳地，所述的LiB合金片中锂元素的质量百分含量为65％～67％。
较佳地，所述的LiSi合金粉末中锂元素的质量百含量为44％。
较佳地，所述的加热粉中，超细铁粉的质量百分含量为84％，余份为KClO4。
较佳地，所述的隔离粉中，全锂电解质的重量百分含量为65％，余份为MgO。
较佳地，所述的全锂电解质中，LiF的质量百分含量为10％，LiCl的质量百分含量为22％，余份为LiBr。
较佳地，所述的5Ah级热电池单体电池的配比为：加热粉16.0g、正极粉20.0g、隔离粉5.0g和负极5.0g，热电池单体电池的直径为80mm，厚度为3.7mm。
与现有技术相比，本发明所提供的5Ah级热电池单体电池具有以下有益效果：
(1)负极材料为复合处理的LiB合金片和LiSi合金粉末，与复合处理的正极材料进行匹配，提高了电化学活性物质的利用率，获得了具有5Ah容量的同时，其激活时间依然小于1.0s的热电池单体电池；
(2)电池单体尺寸较小，生产难度较低；
(3)电池所用原材料及零部件制备工艺均与常规热电池基本相同，可在不改造现有生产线的前提下进行大规模生产，生产过程通用性高，经济性好。
附图说明
图1为本发明的单体电池的放电曲线图。
图2为本发明的单元电池的放电曲线图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
单体电池设计：单体电池的具体配比为：加热粉16.0g、正极粉20.0g、隔离粉5.0g和负极5.0g。
加热粉由84％的超细铁粉和16％的KClO4组成。正极粉由CoS2、FeS2、Li2O、导电石墨和全锂电解质组成，其中，CoS2的质量百分含量为40％，FeS2的质量百分含量为40％，Li2O的质量百分含量为2％，导电石墨的质量百分含量为5％，余份为全锂电解质。隔离粉由65％的全锂电解质和35％的MgO组成。所述的全锂电解质的化学组成为LiF、LiCl和LiBr。
负极片由LiB合金片和LiSi合金粉末压制而成，LiSi合金粉末靠近隔离层，LiSi是粉末状，与隔离层的界面性能优于LiB，靠近隔离层可以使反应初期的离子迁移速率更快，有利于快速激活；其中，LiB合金片的质量百分含量为80％，余份为LiSi合金粉末。优选地，LiB合金片中锂元素的质量百分含量为65％～67％，LiSi合金粉末中锂元素的质量百含量为44％。
制得的单体电池直径为Φ80mm，厚度为3.7mm。本发明的热电池单体电池，通过对上述材料进行试验验证后得到优选范围或优选值，在该优选范围内，热电池单体电池以5C状态进行放电时，容量超过5Ah，单体电池串联组装成单元电池后，激活时间小于1.0s。
单体电池进行5C恒流放电，放电结果如图1所示。单体电池在500℃恒温状态下进行5C(25A)恒流放电，截止至1.5V，放电时间为762s，实际放电容量为5.29Ah。
将上述单体电池共15片串联后，组装成单元电池。单元电池进行5C恒流放电，放电结果如图2所示。单元电池进行5C(25A)恒流放电时，峰压为23.33V，截止至22V(空载上限电压的75％)，放电时间为722s，实际容量5.03Ah，激活时间为0.93s。
综上所述，本发明所提供的5Ah级热电池单体电池，主要通过对正负极材料分别进行复合处理，提高了电化学活性物质的利用率，尤其是负极采用LiB合金片和LiSi合金粉末压制而形成复合材料，容量和激活时间要求得到了同时满足，完全满足国内某双座教练战斗机EPS系统对应急电源的用电需求；开发的单体电池直径约为国外产品的57％，厚度约为55％，单体电池体积比容量提升15％以上(本发明提供的单体电池：0.27Ah/cm3，ASB公司的单体电池0.23Ah/cm3)，同时，单体电池激活时间缩短33％，性能优势明显；所用原材料及零部件制备工艺均与常规热电池基本相同，可在不改造现有生产线的前提下进行大规模生产，生产过程通用性高，经济性好，且该单体电池通过简单的串并连，即可组装为不同容量的单元热电池产品，适用性好，极具应用前景。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (7)

1.一种5Ah级热电池单体电池，其特征在于：
以重量计，单体电池配方为：加热粉16份、正极粉20份、隔离粉5份和负极片5份；
所述的加热粉由超细铁粉和KClO4组成；
所述的正极粉由CoS2、FeS2、Li2O、导电石墨和全锂电解质组成，其中，CoS2的质量百分含量为40％，FeS2的质量百分含量为40％，Li2O的质量百分含量为2％，导电石墨的质量百分含量为5％，余份为全锂电解质；
所述的隔离粉由全锂电解质和MgO组成；
所述的负极片由LiB合金片和LiSi合金粉末压制而成，LiSi合金粉末靠近隔离层，其中，LiB合金片的质量百分含量为80％，余份为LiSi合金粉末；
所述的全锂电解质的化学组成为LiF、LiCl和LiBr；该热电池单体电池以5C状态进行放电时，容量超过5Ah，激活时间小于1.0s。
2.如权利要求1所述的5Ah级热电池单体电池，其特征在于：所述的LiB合金片中锂元素的质量百分含量为65％～67％。
3.如权利要求1所述的5Ah级热电池单体电池，其特征在于：所述的LiSi合金粉末中锂元素的质量百含量为44％。
4.如权利要求1所述的5Ah级热电池单体电池，其特征在于：所述的加热粉中，超细铁粉的质量百分含量为84％，余份为KClO4。
5.如权利要求1所述的5Ah级热电池单体电池，其特征在于：所述的隔离粉中，全锂电解质的重量百分含量为65％，余份为MgO。
6.如权利要求1或5所述的5Ah级热电池单体电池，其特征在于，所述的全锂电解质中，LiF的质量百分含量为10％，LiCl的质量百分含量为22％，余份为LiBr。
7.如权利要求1所述的5Ah级热电池单体电池，其特征在于：所述的5Ah级热电池单体电池的配比为：加热粉16.0g、正极粉20.0g、隔离粉5.0g和负极5.0g，该热电池单体电池的直径为80mm，厚度为3.7mm。
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