CN110544809A - 一种热电池复合保温结构及其在制备热电池中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热电池复合保温结构及其在制备热电池中的应用，该复合保温结构包括真空保温腔体、气凝胶保温层、反射红外辐射层、吸气材料和电池盖板，所述真空保温腔体的壳体的侧壁上设有凹槽，所述气凝胶保温层设于所述凹槽内和真空保温腔体的上端，所述反射红外辐射层设于所述真空保温腔体内部，所述吸气材料设于所述真空保温腔体内部的底部，所述电池盖板设于所述真空保温腔体和所述气凝胶保温层的上端。本发明提供的热电池复合保温结构能显著延缓热电池工作过程中电堆温度的下降，提升热电池的热寿命。
Description
技术领域
本发明涉及热电池应用技术领域，具体涉及一种热电池复合保温结构及其在制备热电池中的应用。
背景技术
热电池又称热激活电池，是以共晶熔融盐作为电解质，利用电池自身的加热系统使电解质融化而激活的一次贮备电池，具体地，可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质，从而使得接触电解质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，热电池的综合性能极大地依赖于电池的保温设计和保温材料的保温性能，这是因为热电池适宜的工作温度范围较窄，通常为400～520℃，高于和低于该温度段热电池将不能发挥最佳性能甚至不能正常工作；这也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如大于半小时内维持共晶熔融盐的熔融温度，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存在几百摄氏度的温差，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，电池表面温度就会不断升高，这种趋势不能阻断，只能通过相关手段减缓。
短寿命热电池通常以硅酸铝纤维毡、石棉纸等作为保温材料，中长寿命热电池一般则使用纳米气凝胶材料作为保温材料，如美国Thermal Ceramic公司研发的Min-K材料，英国Microtherm公司研发的Microtherm保温材料都属于该类材料。纳米气凝胶材料导热系数通常在0.025～0.040W/m/K之间，其虽是目前公开报道的针对热电池最好的保温材料，能较好的满足中短寿命热电池的要求，但对长寿命热电池而言并不理想，仍存在以下突出问题：第一，单独使用纳米气凝胶材料作为保温材料的热电池在长寿命和小型化方面存在矛盾，两者很难同时兼顾，特别是对于寿命超过1小时的热电池，这是因为长寿命热电池对保温性能的要求很高，而纳米气凝胶材料的保温性能并不十分理想，为了达到好的保温效果，所需的保温层厚度大，相应地体积很大，难以实现热电池小型化的要求；第二，单独使用纳米气凝胶材料作为保温材料时，由于传热较快，热电池表面温度高，存在影响电池周围其它电子元器件工作可靠性的潜在风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电池复合保温结构及其在制备热电池中的应用，该复合保温结构具有较好的保温效果，能显著延缓热电池工作过程中电池电堆温度的下降，提升热电池的热寿命，同时还能显著降低热电池的表面温度，以解决现有的热电池保温效果差及寿命短的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种热电池复合保温结构，包括真空保温腔体、气凝胶保温层、反射红外辐射层、吸气材料和电池盖板，所述真空保温腔体的壳体的侧壁上设有凹槽，所述气凝胶保温层设于所述凹槽内和真空保温腔体的上端，所述反射红外辐射层设于所述真空保温腔体内部，所述吸气材料设于所述真空保温腔体的内部的底部，所述电池盖板安装于所述真空保温腔体的上端。
进一步地，所述真空保温腔体的壳体由不锈钢、可伐合金、钛合金或工业纯钛材料制成。
进一步地，所述吸气材料为蒸散型吸气材料、非蒸散型吸气材料中的任一种或其组合。
进一步地，所述吸气材料为钛、锆、铪、铱、铝、铁、钴、锰中的任一种或其组合。
进一步地，所述气凝胶保温层由纳米二氧化硅气凝胶或纳米二氧化锆气凝胶制成。
进一步地，所述反射红外辐射层由反射材料制成且焊接在所述真空保温腔体内部，所述反射材料为铜箔、金箔或银箔中的任一种或其组合。
进一步地，所述真空保温腔体的底部设有排气口。
一种热电池复合保温结构在制备热电池中的应用，所述热电池采用上述的热电池复合保温结构，所述真空保温腔体设于电池电堆的外侧和下端。
本发明的有益效果是：
1)本发明的热电池复合保温结构采用真空保温层即真空保温腔体、气凝胶保温层和反射红外辐射保温层三层相复合保温的结构，应用到热电池，其抑制传热分别对应气体对流传热、固体传热和红外辐射传热三种方式，真空保温层的等效导热系数约为0.014W/m/K，低于气凝胶材料的导热系数，这种复合结构充分结合了真空保温可以消除几乎全部的气体对流传热，气凝胶材料具有低固体传热及红外反射材料具有降低辐射传热的优点。具体而言，反射红外辐射层紧临电池电堆能反射大量热量完成第一级抑制传热，气凝胶保温层的低固体传热又能进一步降低能量向外传递，在者，真空保温层具有很低的导热系数，可以消除真空保温腔体内几乎全部的气体对流传热，这三层结构层层递进，通过层层的对热传递的阻断能获得比单独使用气凝胶保温材料更优的保温效果，从而有助于热电池小型化的要求；相比单独使用纳米气凝胶保温层，本发明的热电池三层保温层结构传热较慢，热电池表面温度低，降低了影响电池周围其它电子元器件工作可靠性的潜在风险。
2)本发明的真空保温腔体壳体内周侧侧壁设有的凹槽结构，大大延长了真空保温腔体壳体材料的传热路径，此外，凹槽中填充的气凝胶保温层能抑制气体对流传热且具有低的固体导热，进一步提高了保温效果，同时还能减小热电池外表温度的上升。
3)本发明提供的复合保温结构，其真空保温层腔体的内部设有吸气材料，该吸气材料不仅能吸收壳体材料在热电池工作过程中因温度升高而放出的气体，同时还能在复合保温结构贮存期间持续吸收渗透进入真空保温腔体内部的微量气体，有利于热电池真空保温腔体内真空度的保持，因而具有长的真空度保持寿命。
附图说明
图1为本发明的热电池复合保温结构的示意图；
图2为应用复合保温结构和气凝胶保温筒的热电池模拟电堆中心温度随时间变化曲线图；
图中，1-真空保温腔体，101-凹槽，2-气凝胶保温层，3-反射红外辐射层，4-吸气材料，5-排气口，6-电池电堆，7-电池盖板。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：
请参照图1，一种热电池复合保温结构，包括真空保温腔体1、气凝胶保温层2、反射红外辐射层3、吸气材料4和电池盖板7，所述真空保温腔体1的壳体的侧壁上设有凹槽101，所述气凝胶保温层2设于所述凹槽101内和真空保温腔体1的上端，所述反射红外辐射层3设于所述真空保温腔体1内部，所述吸气材料4设于所述真空保温腔体1的内部的底部，所述电池盖板7安装于所述真空保温腔体1的上端。
优选地，所述真空保温腔体1的壳体由不锈钢、可伐合金、钛合金或工业纯钛材料制成。
本发明的上述保温结构采用真空保温层即真空保温腔体1、气凝胶保温层2和反射红外辐射层3三层相复合保温的结构，应用到热电池，其抑制传热分别对应气体对流传热、固体传热和红外辐射传热三种方式，真空保温层的等效导热系数约为0.014W/m/K，低于气凝胶材料的导热系数，这种复合结构充分结合了真空保温可以消除几乎全部的气体对流传热，气凝胶材料具有低固体传热及红外反射材料具有降低辐射传热的优点。
所述吸气材料4为蒸散型吸气材料、非蒸散型吸气材料中的任一种或其组和。
优选地，所述吸气材料4为钛、锆、铪、铱、铝、铁、钴、锰中的任一种或其组合。
本发明的吸气材料4能吸收壳体材料，该吸气材料4不仅能吸收壳体材料在热电池工作过程中因温度升高而放出的气体，同时还能在复合保温结构贮存期间持续吸收渗透进入真空保温腔体1内部的微量气体，有利于热电池真空保温腔体内真空度的保持，因而具有长的真空度保持寿命。
所述气凝胶保温层2由纳米二氧化硅气凝胶或纳米二氧化锆气凝胶制成。
本发明的空保温层腔体壳体内周侧侧壁设有用来填充气凝胶保温层2的凹槽101结构，大大延长了真空保温腔体1壳体材料的传热路径，此外，凹槽101中填充的气凝胶保温层能抑制气体对流传热且具有低的固体导热，进一步提高了保温效果，同时还能减小热电池外表温度的上升。
所述反射红外辐射层3由反射材料制成且焊接在所述真空保温腔体1内部，所述反射材料为铜箔、金箔或银箔中的任一种或其组合。
本发明的反射红外辐射层3能反射大量热量抑制传热。
所述真空保温腔体1的底部设有排气口5。
一种热电池复合保温结构在制备热电池中的应用，所述热电池采用以上所述的热电池复合保温结构，所述真空保温腔体1设于电池电堆6的外侧和下端。
本发明的保温结果应用到热电池，采用真空保温层即真空保温腔体1、气凝胶保温层2和反射红外辐射保温层三层相复合保温的结构，应用到热电池，其抑制传热分别对应气体对流传热、固体传热和红外辐射传热三种方式，真空保温层的等效导热系数约为0.014W/m/K，低于气凝胶材料的导热系数，这种复合结构充分结合了真空保温可以消除几乎全部的气体对流传热，气凝胶材料具有低固体传热及红外反射材料具有降低辐射传热的优点。具体而言，反射红外辐射层3紧临电池电堆6能反射大量热量完成第一级抑制传热，气凝胶保温层2的低固体传热又能进一步降低能量向外传递，在者，真空保温层具有很低的导热系数，可以消除真空保温腔体1内几乎全部的气体对流传热，这三层结构层层递进，通过层层的对热传递的阻断能获得比单独使用气凝胶保温材料更优的保温效果，从而有助于实现热电池小型化的要求；相比单独使用纳米气凝胶保温层2，本发明的热电池三层保温层结构传热较慢，热电池表面温度低，降低了影响电池周围其它电子元器件工作可靠性的潜在风险。
实施例1
以不锈钢304材料作为真空保温层的壳体材料制作真空保温腔体1，在真空保温腔体1内部通过焊接的方式固定好铜箔和Ti-Zr-V吸气材料，确保铜箔没有将真空保温腔体的壳体的内外壁相搭接，铜箔作为反射红外辐射层3，壳体侧面的侧壁上开设凹槽101的结构以延长不锈钢壳体的导热路径，然后用真空封接炉对真空保温腔体1的壳体进行抽气封接，待真空封接工序完成后将真空保温腔体1的壳体侧面的凹槽101用纳米二氧化硅气凝胶材料进行填充，再装入热电池电堆6，放入气凝胶堵头并盖上电池盖板7，完成热电池的组装。
实施例2
以可伐合金4j29材料作为真空保温层的壳体材料制作真空保温腔体1，在真空保温腔体1内部通过焊接的方式固定好银箔和Zr-V-Fe吸气材料，确保银箔没有将真空保温腔体的壳体的内外壁相搭接，银箔作为反射红外辐射层3，壳体侧面的侧壁上开设凹槽101的结构以延长可伐合金壳体的导热路径，然后用真空封接炉对真空保温腔体1的壳体进行抽气封接，待真空封接工序完成后将真空保温腔体1的壳体侧面的凹槽101用纳米二氧化锆气凝胶材料进行填充，再装入热电池电堆6，放入气凝胶堵头并盖上电池盖板7，完成热电池的组装。
实施例3
以钛合金TC4材料作为真空保温层的壳体材料制作真空保温腔体1，在真空保温腔体1内部通过焊接的方式固定好金箔和Y-Mn-Al吸气材料，确保金箔没有将真空保温腔体的壳体的内外壁相搭接，金箔作为反射红外辐射层3，壳体侧面的侧壁上开设凹槽101的结构以延长钛合金壳体的导热路径，然后用真空封接炉对真空保温腔体1的壳体进行抽气封接，待真空封接工序完成后将真空保温腔体1的壳体侧面的凹槽101用纳米二氧化锆气凝胶材料进行填充，再装入热电池电堆6，放入气凝胶堵头并盖上电池盖板7，完成热电池的组装。
实施例4
以工业纯钛TA1材料作为真空保温层的壳体材料制作真空保温腔体1，在电池真空腔体内部通过焊接的方式固定好铜箔、金箔和Ti-Mo吸气材料，确保铜箔、金箔没有将真空保温腔体的壳体的内外壁相搭接，铜箔和金箔作为反射红外辐射层3，壳体侧面的侧壁上开设凹槽101的结构以延长工业纯钛壳体的导热路径，然后用真空封接炉对真空保温腔体1的壳体进行抽气封接，待真空封接工序完成后将真空保温腔体1的壳体侧面的凹槽101用纳米二氧化硅气凝胶材料进行填充，再装入热电池电堆6，放入气凝胶堵头并盖上电池盖板7，完成热电池的组装。
实施例5
以钛合金TC4材料作为真空保温层的壳体材料制作真空保温腔体1，在真空保温腔体1内部通过焊接的方式固定好铜箔和Zr-石墨、Y-Mn-Al吸气材料，确保铜箔没有将真空保温腔体的壳体的内外壁相搭接，铜箔作为反射红外辐射层3，壳体侧面的侧壁上开设凹槽101的结构以延长钛合金壳体的导热路径，然后用真空封接炉对真空保温腔体1的壳体进行抽气封接，待真空封接工序完成后将真空保温腔体1的壳体侧面的凹槽101用纳米二氧化硅气凝胶材料进行填充，再装入热电池电堆6，放入气凝胶堵头并盖上电池盖板7，完成热电池的组装。
实验对比：本发明用模拟电堆法对比研究了单独采用气凝胶保温材料与单独采用本发明的保温结构时对热电池保温性能的影响结果如图2所示。
以气凝胶保温材料制作的气凝胶保温筒作为保温组件装配热电池模拟电堆作为对照组，测试模拟电堆中心温度随时间的变化规律，结果显示其在3600s内下降了167.3℃，整个过程中外壳高度一半处的表面温度由初始的25℃最高上升至97.5℃。
以实施例1-5的保温结构制备的复合保温结构作为保温组件装配热电池模拟电堆，测试模拟电堆中心温度随时间的变化规律，算出各个参数的平均值，结果显示其在3600s内下降了141.8℃，整个过程中外壳高度一半处的表面温度由初始的25℃最高上升至76.7℃，上升幅度只有对照组的71.3％，结果表明本发明的复合保温结构显著抑制了热电池模拟电堆表面温度的上升，此外，采用本发明的复合保温结构的热电池中心的降温速率明显低于对照组，在保温层厚度相同的情况下，能提升热电池的热寿命，换言之，在保温性能相同的情况下，能降低保温层的厚度，有利于热电池的小型化设计，表明本发明的保温结构具有更佳的保温性能，有利于延长电堆热寿命。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种热电池复合保温结构，其特征在于：包括真空保温腔体(1)、气凝胶保温层(2)、反射红外辐射层(3)、吸气材料(4)和电池盖板(7)，所述真空保温腔体(1)的壳体的侧壁上设有凹槽(101)，所述气凝胶保温层(2)设于所述凹槽(101)内和真空保温腔体(1)的上端，所述反射红外辐射层(3)设于所述真空保温腔体(1)内部，所述吸气材料(4)设于所述真空保温腔体(1)的内部的底部，所述电池盖板(7)安装于所述真空保温腔体(1)的上端。
2.根据权利要求1所述的热电池复合保温结构，其特征在于：所述真空保温腔体(1)的壳体由不锈钢、可伐合金、钛合金或工业纯钛材料制成。
3.根据权利要求1所述的热电池复合保温结构，其特征在于：所述吸气材料(4)为蒸散型吸气材料、非蒸散型吸气材料中的任一种或其组合。
4.根据权利要求3所述的热电池复合保温结构，其特征在于：所述吸气材料(4)为钛、锆、铪、铱、铝、铁、钴、锰中的任一种或其组合。
5.根据权利要求1所述的热电池复合保温结构，其特征在于：所述气凝胶保温层(2)由纳米二氧化硅气凝胶或纳米二氧化锆气凝胶制成。
6.根据权利要求1所述的热电池复合保温结构，其特征在于：所述反射红外辐射层(3)由反射材料制成且焊接在所述真空保温腔体(1)内部，所述反射材料为铜箔、金箔或银箔中的任一种或其组合。
7.根据权利要求1所述的热电池复合保温结构，其特征在于：所述真空保温腔体(1)的底部设有排气口(5)。
8.一种热电池复合保温结构在制备热电池中的应用，其特征在于：所述热电池采用权利要求1-7任一项所述的热电池复合保温结构，所述真空保温腔体(1)设于电池电堆(6)的外侧和下端。
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