CN111430742B - 一种热电池用高电导加热片、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本方案公开了热电池技术领域的一种热电池用高电导加热片的制备方法，在硬质合金模具中加入圆环模具，将金属粉倒入圆环模具中，利用防静电塑料酯板将金属粉末刮平；在圆环模具的外围倒入加热粉，用防静电塑料酯板将加热粉刮平；然后将圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，得到高电导加热片。与采用现有技术制备同样体积的加热片，本方案相对而言利用的铁粉含量低，而利用高电导性质的金属粉发挥了导电性能，这既降低了加热片的内阻，增强了导电率，而且相同体积加热片的重量不会被增加，热值不被降低，产品的性能和使用价值更高。

Description

一种热电池用高电导加热片、制备方法及应用
技术领域
本发明属于热电池技术领域，具体涉及一种热电池用高电导加热片的制备方法及应用。
背景技术
热电池是一次性贮备电源，其采用固态熔盐作为电解质，通过加热系统将固态盐熔融成液态，从而激活电池进行放电。热电池具有比能量和比功率高，工作温度范围宽，环境适应性强等优点，主要应用于火箭、导弹、雷达、海军鱼雷等领域。目前，热电池技术日趋成熟，其在火警、地下高温探矿、飞机应急等民用范围内也渐渐得到使用。
热电池是用无机盐作为电解质的一次贮备电池。无机盐作为热电池的电解质和隔膜，在常温下，无机盐是固态，内阻达到几十兆欧，所以常温下热电池不工作，也不会自放电。当无机盐熔化时，具有较好的离子电导性，热电池开始放电工作。而提供热量能使电解质熔化的“烟火药材料”是热电池不可取代的一部分，通常被称为“加热粉”。无机盐电解质被加热粉加热后呈熔融状态，具有高的离子电导率，从而激活热电池，开始放电工作。
当前提供热源的加热粉通常为按照不同比例配比的Fe-KClO4，Fe-KClO4加热药的热值决定于氧化剂KClO4的含量。
4Fe+KClO4→4FeO+KCl (1)
混合后的Fe和KClO4很容易被压机制备成片，而且加热后产生气体少、体积变化量小。通常使用的Fe-KClO4中Fe粉与KClO4的质量配比从80：20到88：12不等，然而根据反应式(1)，Fe和KClO4完全反应的质量比为26：16，如此一来在制备加热片时使用的作为加热粉的Fe-KClO4中Fe粉的含量远超过与KClO4的化学计量比，则每100g加热粉中Fe粉与KClO4反应后，剩余的Fe粉的量为47.5～68.5g。且加热片中热值量由KClO4的量来决定，反应后剩余的Fe粉用作增加加热片燃烧后的导电能力，燃烧后成为单体电池间电连接集流片。但是这样的加热片放热反应之后的副产物没有电导性，导致内阻增加，降低了电池的输出功率和电池的安全性。
根据文献所示，金属在500℃时电阻率如表一所示。
表一：
Figure BDA0002504887580000011
Figure BDA0002504887580000021
因此，为降低热电池内阻，降低单体电池间的连接电阻，提高电性能，急需一种高电导的加热片。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种热电池用高电导加热片、制备方法及应用。
本方案中的一种热电池用高电导加热片的制备方法，所述高电导加热片包括内层高电导金属层和外层加热粉层，制备步骤如下：
1)内层高电导金属层：在硬质合金模具中加入圆环模具，将在500℃时电导率大于2.0×104S·cm-1的金属粉倒入圆环模具中，利用防静电板将金属粉末刮平；
2)外层加热粉层：在圆环模具的外围倒入加热粉，用防静电板将加热粉刮平；所述Fe-KClO4中Fe和KClO4的质量比为Fe：KClO4＝26～50：16；
3)高电导加热片：将步骤2)的圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，得到高电导加热片，其中所述内层高电导金属层质量占比34％～58％，外层加热粉层质量占比42％～66％。
进一步，步骤1)中所述金属粉为Ag、Cu、Ni、W和Co中的至少一种。
进一步，步骤2)中所述加热粉为Fe-KClO4；所述Fe-KClO4体系中Fe和KClO4的质量比为Fe：KClO4＝26：16。
进一步，步骤3)中压制压力为200KN～700KN。
进一步，所述内层高电导金属层质量占比40％，外层加热粉层质量占比60％。
进一步，所述内层高电导金属层质量占比58％，外层加热粉层质量占比42％。
进一步，所述内层高电导金属层质量占比55％，外层加热粉层质量占比45％。
进一步，所述内层高电导金属层质量占比34％，外层加热粉层质量占比56％。
采用本发明制备方法得到的热电池用高电导加热片，可用于制备电池加热材料或热电池。
本发明的原理：
本发明的高电导加热片是“圆饼”结构，而且一张加热片分为内层高电导金属层和外层加热粉层。热电池激活将外层加热粉层点燃，加热片放热，电池开始工作产生电流，电流通过内层高电导金属层运输。
本发明的有益效果：
现有的常规加热片仅仅采用了Fe-KClO4加热粉压制而成，而且通常采用的Fe：KClO4中的Fe：KClO4质量比为84：16，根据反应式(1)可知，实质上这样的加热片中Fe粉是过量的，也就是说Fe粉有所剩余，而现有的加热片利用剩余的Fe粉增加加热片燃烧后的导电能力，燃烧后成为单体电池间电连接集流片，但是加热片放热反应之后的副产物没有电导性，导致内阻增加，降低了电池的输出功率和电池的安全性。
而本发明热电池高电导加热片利用“圆饼”结构，且分为两层，内层必须是采用高电导性质的金属粉压制，而外层则必须是采用质量比为Fe：KClO4＝26～50：16的Fe-KClO4，与采用现有技术制备同样体积的加热片相比，本方案相对而言得到的加热片中的铁粉含量低，在外层加热分层利用了少量剩余的Fe粉(以加热片的重量100g，Fe粉的量取最大即Fe：KClO4＝50：16算，Fe粉将剩余33g，这远小于现有技术中的Fe粉剩余量)作为导电剂发挥外层额导电性能，且在内层利用高电导性质的金属粉发挥了导电性能，这既降低了加热片的内阻，增强了导电率，而且相同体积加热片的重量不会被增加，热值不被降低，产品的性能和使用价值更高。
附图说明
图1为本发明一种热电池用高电导加热片的结构示意图；
其中A为内层高电导金属层，B为外层加热粉层；
图2为实施例1得到的高电导加热片与对比例1得到的加热片制备的热电池放电脉冲示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1：
一种热电池用高电导加热片的制备方法，高电导加热片有“圆饼”结构，即如图1所示，具体制备步骤如下：
1)内层高电导金属层A：在硬质合金模具中加入圆环模具，将质量比为40％的高电导金属Cu粉倒入圆环中，利用防静电塑料酯板将金属粉末刮平。
2)外层加热粉层B：在圆环模具的外围倒入质量比为60％的加热粉，加热粉中Fe：KClO4＝44：16，用防静电塑料酯板将加热粉刮平。
3)高电导加热片：将步骤2)的圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，压制压力为550KN，得到高电导加热片。
制备时注意圆环模具的高度大于内层高电导金属层A和外层加热粉层B的高度，避免在制备过程中，外层的加热粉滑落到内层以及内层的金属粉滑落到外层。以下实施例相同。
实施例2：
一种热电池用高电导加热片的制备方法，高电导加热片有“圆饼”结构，即如图1所示，具体制备步骤如下：
1)内层高电导金属层A：在硬质合金模具中加入圆环模具，将质量比为50％的高电导金属Cu粉倒入圆环中，利用防静电塑料酯板将金属粉末刮平。
2)外层加热粉层B：在圆环模具的外围倒入质量比为50％的加热粉，加热粉中Fe：KClO4＝34：16，用防静电塑料酯板将加热粉刮平。
3)高电导加热片：将步骤2)的圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，压制压力为200KN，得到高电导加热片。
实施例3：
一种热电池用高电导加热片的制备方法，高电导加热片有“圆饼”结构，即如图1所示，具体制备步骤如下：
1)内层高电导金属层A：在硬质合金模具中加入圆环模具，将质量比为55％的高电导金属Ag粉倒入圆环中，利用防静电塑料酯板将金属粉末刮平。
2)外层加热粉层B：在圆环模具的外围倒入质量比为45％的加热粉，加热粉中Fe：KClO4＝29：16，用防静电塑料酯板将加热粉刮平。
3)高电导加热片：将步骤2)的圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，压制压力为600KN，得到高电导加热片。
实施例4：
一种热电池用高电导加热片的制备方法，高电导加热片有“圆饼”结构，即如图1所示，具体制备步骤如下：
1)内层高电导金属层：在硬质合金模具中加入圆环模具，将质量比为58％的高电导金属Ag粉倒入圆环中，利用防静电塑料酯板将金属粉末刮平。
2)外层加热粉层：在圆环模具的外围倒入质量比为42％的加热粉，加热粉中Fe：KClO4＝26：16，用防静电塑料酯板将加热粉刮平。
3)高电导加热片：将步骤2)的圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，压制压力为300KN，得到高电导加热片。
实施例5：
一种热电池用高电导加热片的制备方法，高电导加热片有“圆饼”结构，即如图1所示，具体制备步骤如下：
1)内层高电导金属层：在硬质合金模具中加入圆环模具，将质量比为34％的高电导金属Ag粉倒入圆环中，利用防静电塑料酯板将金属粉末刮平。
2)外层加热粉层：在圆环模具的外围倒入质量比为56％的加热粉，加热粉中Fe：KClO4＝50：16，用防静电塑料酯板将加热粉刮平。
3)高电导加热片：将步骤2)的圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，压制压力为700KN，得到高电导加热片。
应用实施例1
采用实施例1的方法制备热电池用高电导加热片，制得高电导加热片重3g，发热量243J/g，按照高电导加热片-正极-隔膜-负极的方式组装成热电池单体，采取16单体串联的方式装配成热电池。
对比例1
与实施例1不同的是：采用质量比为84:16的Fe粉和KClO4粉制成的加热片，加热片的重量为3g，发热量为244J/g，按照应用实例1的方法组装成热电池。
将应用实例1和对比例1组装得到的热电池有一段持续加载脉冲宽度为0.2s的18A、36A、54A的脉冲电流，放电曲线见图2，图2中位于上方的两根曲线代表电压变化，下方的两根曲线代表电阻。
通过将应用实例1和对比例1进行脉冲放电可知，采用高电导加热片制备的单元热电池，有更好应对脉冲的能力，压降更低，单体内阻减小。在不改变热电池其他电池材料的前提下，本方案的高电导加热片是外层加热粉层和内层金属粉层结构，这样制备的与现有常规加热片相同体积的高电导加热片，高电导加热片的质量不增加，热值不降低，且还增大了加热片的电导率，减小热电池的内阻，提高热电池的电性能。
采用本发明方法制备高电导加热片，其中的金属粉还可以是Ni、W或Co。它们均能够制备出与上述各实施例制备的加热片的技术效果相同的加热片。

Claims (10)

1.一种热电池用高电导加热片的制备方法，所述高电导加热片包括内层高电导金属层和外层加热粉层，其特征在于，制备步骤如下：
1)内层高电导金属层：在硬质合金模具中加入圆环模具，将在500℃时电导率大于2.0×104S·cm-1的金属粉倒入圆环模具中，利用防静电板将金属粉末刮平；
2)外层加热粉层：在圆环模具的外围倒入加热粉Fe-KClO4，用防静电板将加热粉刮平；所述Fe-KClO4中Fe和KClO4的质量比为Fe：KClO4＝26～50：16；
3)高电导加热片：将步骤2)的圆环模具抽出，硬质合金模具放置在压力机上将外层高电导金属层和内层加热粉层同时压制成型，得到高电导加热片，其中所述内层高电导金属层质量占比34％～58％，外层加热粉层质量占比42％～66％。
2.根据权利要求1所述的热电池用高电导加热片的制备方法，其特征在于：步骤1)中所述金属粉为Ag、Cu、Ni、W和Co中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的热电池用高电导加热片的制备方法，其特征在于：步骤2)中所述加热粉为Fe-KClO4；所述Fe-KClO4中Fe和KClO4的质量比为Fe：KClO4＝26：16。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的热电池用高电导加热片的制备方法，其特征在于：步骤3)中压制压力为200KN～700KN。
5.根据权利要求4所述的热电池用高电导加热片的制备方法，其特征在于：所述内层高电导金属层质量占比40％，外层加热粉层质量占比60％。
6.根据权利要求4所述的热电池用高电导加热片的制备方法，其特征在于：所述内层高电导金属层质量占比58％，外层加热粉层质量占比42％。
7.根据权利要求4所述的热电池用高电导加热片的制备方法，其特征在于：所述内层高电导金属层质量占比55％，外层加热粉层质量占比45％。
8.根据权利要求4所述的热电池用高电导加热片的制备方法，其特征在于：所述内层高电导金属层质量占比34％，外层加热粉层质量占比56％。
9.据权利要求1～3、5～8中任意一项所述的制备方法得到的热电池用高电导加热片。
10.根据权利要求9所述的热电池用高电导加热片在制备电池加热材料中的应用。
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