CN111916779A - 一种高电导加热粉及其制备方法和应用 - Google Patents

一种高电导加热粉及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本方案公开了热电池技术领域的一种高电导加热粉，包括的原料及其质量百分比为：Fe粉15％～35％、KClO4粉10％～20％、高电导金属粉30％～45％和高热值金属粉10％～25％。制备时，包括以下步骤：步骤一、按质量百分比分别称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，然后进行烘干处理待用；步骤二、将Fe粉、高电导金属粉和高热值金属粉混合得到混合料，然后放入球磨机中进行球磨；步骤三、向球磨后的混合料中加入KClO4粉并混合均匀，混合后球磨处理，然后过100目～200目标准筛，即制得高电导加热粉。由于本申请中的高电导加热粉具备良好的电导性和较高的热值，因此，其可广泛应用于加热片以及热电池中。

Description

一种高电导加热粉及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于热电池技术领域，特别涉及一种高电导加热粉及其制备方法和应用。
背景技术
热电池又称为一次熔盐电池，具有高比能、高比功率、大功率放电、储存时间长等优异特点，在军用电池领域有十分重要的用途，并迅速发展成现代化武器的理想电源。热电池单体主要由集流片、正极片、电解质、隔膜、负极片、加热片等组成，单元热电池由多个热电池单体组成。伴随着采矿业及航天航空领域的发展，热电池也成功应用到上述行业。
热电池工作温度在400℃～600℃，利用高温熔盐作为电解质，电解质是由两种及其以上的无机盐组成的低共熔体。常温下，无机盐是内阻几十兆欧的固体，电池几乎没有自放电。需要热电池工作时，通过点燃加热粉提供热源将电解质熔化，迅速熔化的电解质形成高电导的离子导体从而激活热电池，开始放电工作。
目前热电池主流加热粉是Fe+KClO4，混合的Fe和KClO4被压机制备成加热片，加热片具有产热快、产生气体较少、体积变化少等优点。Fe粉与KClO4的质量配比从80：20到88：12不等。根据反应式(1)，Fe和KClO4完全反应的质量比为26：16，剩余的铁粉作为导电剂，成为热电池单体间的电子运输通道。
4Fe+KClO4→4FeO+KCl (1)
根据Fe和KClO4氧化-还原反应可知，计算得到Fe和KClO4完全反应热值为19.55KJ/g。
Mg和KClO4反应：4Mg+KClO4→4MgO+KCl，计算得到Mg和KClO4完全反应热值为100.48KJ/g；Al和KClO4反应：8Al+3KClO4→4Al2O3+3KCl，计算得到Al和KClO4完全反应热值为248.98KJ/g。在此可知Mg、Al和KClO4反应的发热量远高于Fe和KClO4。
高温条件下，不同金属在500℃电导率如表1所示：
表1
Figure BDA0002573529220000011
Figure BDA0002573529220000021
随着热电池性能要求越来越严苛，要求加热粉热值高、电导好、质量轻，Fe/KClO4加热粉越来越无法满足高性能热电池的使用，所以需要一种热值大、高电导的轻质加热粉。
发明内容
本发明意在提供一种高电导加热粉，以解决现有技术中的Fe/KClO4加热粉热值不够以及电导性不足的问题。
本方案中的一种高电导加热粉，包括的原料及其质量百分比为：Fe粉15％～35％、KClO4粉10％～20％、高电导金属粉30％～45％和高热值金属粉10％～25％。
本方案的有益效果：本方案通过引入高电导金属粉和高热值金属粉，并对高电导加热粉中各原料配比进行优化，即Fe粉15％～35％、KClO4粉10％～20％、高电导金属粉30％～45％和高热值金属粉10％～25％；使得制备的高电导加热粉具备良好的电导性和较高的热值；其电导性和热值明显优于现有技术中的Fe/KClO4加热粉。
进一步，所述高电导金属粉为Cu粉、Ag粉、W粉、Co粉、Ni粉中的至少一种。Cu粉、Ag粉、W粉、Co粉、Ni粉具有良好的高温电导率，且与KClO4反应能大量放热；可以显著改善高电导加热粉的电导性和热值。
进一步，所述高热值金属粉为Mg粉和Al粉中的至少一种。Mg粉和/或Al粉与KClO4反应放热值高，可显著改善高电导加热粉的热值。
进一步，所述高电导金属粉的质量百分比为30％～35％。采用该范围值的高电导金属粉，在确保加热粉整体性能的同时，确保高电导金属粉具备较好的电导性。
进一步，所述高热值金属粉的质量百分比为15％～20％。采用该范围值的高热值金属粉，在确保加热粉整体性能的同时，确保高电导金属粉具备较好的热值。
另外，本申请还提供了一种高电导加热粉的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、按质量百分比分别称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，然后进行烘干处理待用；
步骤二、将Fe粉、高电导金属粉和高热值金属粉混合得到混合料，然后放入球磨机中进行球磨；
步骤三、向球磨后的混合料中加入KClO4粉并混合均匀，混合后球磨处理，然后过100目～200目标准筛，即制得高电导加热粉。
本方案的有益效果：本方案先对混合料进行球磨，由于混合料的硬度较大，采用较高的转速对其进行球磨，可以将Fe粉、高电导金属粉和高热值金属粉混合均匀，也能将Fe粉、高电导金属粉和高热值金属粉磨得更细。混合料球磨后加入高氯酸钾球磨，由于混合料先前已经球磨，再次球磨时要求降低球磨转速，从而避免高转速过热导致KClO4粉分解而与金属粉发生爆炸。
进一步，步骤二中，球磨机中的球磨珠直径为10mm～20mm；球磨机转速为500r/min～2000r/min，球磨时间为30min～3h。该方式在提高球磨效率的同时，减小混合料的粒径，有助于Fe粉、高电导金属粉和高热值金属粉充分混合。
进一步，步骤三中，球磨机中球磨珠直径为25mm～40mm；球磨机的转速为25r/min～40r/min，球磨时间为1h～8h。采用25r/min～40r/min进行球磨，一方面确保球磨效率，同时又避免高转速过热导致KClO4粉分解而与金属粉发生爆炸。
由于本申请中的高电导加热粉具备良好的电导性和较高的热值，因此，其可广泛应用于热值增强型加热片和/或高电导加热片以及热电池中。本申请中的高电导加热粉制作成高电导加热片应用于热电池后，可显著降低热电池的内阻，增强热电池的抗脉冲能力和大功率输出能力，提高热电池的电性能。
附图说明
图1为实施例1中的高电导加热粉与现有技术中的加热粉应用于热电池后的放电曲线对比图。
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
一种高电导加热粉的制备方法，所述高电导加热粉包括Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉组成，该制备方法包括：
步骤一，按质量比称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，经烘干处理待用；所述高电导金属粉为Cu粉，高热值金属粉为Al粉；Fe粉、KClO4粉、Cu粉和Al粉的质量比＝35：20：35：10；
步骤二，将Fe粉、Cu粉和Al粉放入行星式高能球磨机内，将Fe粉、Cu粉和Al粉混合均匀并球磨；行星式高能球磨机中的球磨珠直径为15mm；行星式高能球磨机转速为700r/min，球磨时间为30min；
步骤三，向行星式高能球磨机的球磨罐中加入KClO4粉，混合均匀并再次球磨，行星式高能球磨机中的球磨珠直径为30mm；球磨后过100目标准筛，制得高电导加热粉；行星式高能球磨机的转速为40r/min，球磨时间为1h。
实施例2
一种高电导加热粉的制备方法，所述高电导加热粉包括Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉组成，该制备方法包括：
步骤一，按质量比称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，经烘干处理待用；所述高电导金属粉为Cu粉、高热值金属粉为Al粉。Fe粉、KClO4粉、Cu粉和Mg粉的质量比＝30：16：40：14；
步骤二，将Fe粉、Cu粉和Mg粉放入行星式高能球磨机，将Fe粉、Cu粉和Mg粉混合均匀并进行球磨；行星式高能球磨机中的球磨珠直径为10mm；行星式高能球磨机转速为500r/min，球磨时间为2.5h；
步骤三，向行星式高能球磨机的球磨罐中加入KClO4粉，混合均匀并再次球磨，行星式高能球磨机中的球磨珠直径为40mm；球磨后过200目标准筛，制得高电导加热粉；行星式高能球磨机的转速为25r/min，球磨时间为7h。
实施例3
一种高电导加热粉的制备方法，所述高电导加热粉包括Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉组成，该制备方法包括：
步骤一，按质量比称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，经烘干处理待用；所述高电导金属粉为Ni粉、高热值金属粉为Al粉。Fe粉、KClO4粉、Ni粉和Al粉的质量比＝25：12：45：18；
步骤二，将Fe粉、Ni粉和Al粉放入行星式高能球磨机，将Fe粉、Cu粉和Al粉混合均匀并球磨，行星式高能球磨机中的球磨珠直径为20mm；行星式高能球磨机转速为600r/min，球磨时间为40min；
步骤三，向行星式高能球磨机的球磨罐中加入KClO4粉，混合均匀并再次球磨，行星式高能球磨机中的球磨珠直径为25mm；球磨后过150目标准筛，制得高电导加热粉；行星式高能球磨机的转速为30r/min，球磨时间为5h。
实施例4
一种高电导加热粉的制备方法，所述高电导加热粉包括Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉组成，该制备方法包括：
步骤一，按质量比称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，经烘干处理待用；所述高电导金属粉为Ag粉、高热值金属粉为Mg粉，Fe粉、KClO4粉、W粉和Mg粉的质量比＝15：18：42：25；
步骤二，将Fe粉、W粉和Mg粉放入行星式高能球磨机，将Fe粉、W粉和Mg粉混合均匀并球磨；行星式高能球磨机中的球磨珠直径为15mm；行星式高能球磨机转速为2000r/min，球磨时间为30min；
步骤三，向行星式高能球磨机的球磨罐中加入KClO4粉，混合均匀并再次球磨，行星式高能球磨机中的球磨珠直径为30mm；球磨后过200目标准筛，制得高电导加热粉。行星式高能球磨机的转速为25r/min，球磨时间为1h。
实施例5
一种高电导加热粉的制备方法，所述高电导加热粉包括Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉组成，该制备方法包括：
步骤一，按质量比称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，经烘干处理待用。所述高电导金属粉为Ag粉、高热值金属粉为Mg粉，Fe粉、KClO4粉、Cu粉和Mg粉的质量比＝35：10：40：15；
步骤二，将Fe粉、Cu粉和Mg粉放入行星式高能球磨机，将Fe粉、Cu粉和Mg粉混合均匀并球磨；行星式高能球磨机中的球磨珠直径为15mm；行星式高能球磨机转速为800r/min，球磨时间为1.5h；
步骤三，向行星式高能球磨机的球磨罐中加入KClO4粉，混合均匀并再次球磨，星式高能球磨机中的球磨珠直径为30mm；球磨后过100目标准筛，制得高电导加热粉。行星式高能球磨机的转速为25r/min，球磨时间为2h。
实施例6
一种高电导加热粉的制备方法，所述高电导加热粉包括Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉组成，该制备方法包括：
步骤一，按质量比称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，经烘干处理待用；Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉的质量比＝30：20：30：20；高电导金属粉包括的原料及其质量百分比为：Cu粉20％、Ag粉20％、W粉20％、Co粉20％和Ni粉20％；高热值金属粉包括的原料及其质量百分比为：Mg粉50％和Al粉50％；
步骤二，将Fe粉、Cu粉、Ag粉、W粉、Co粉、Ni粉、Mg粉和Al粉放入行星式高能球磨机内，混合均匀后球磨；行星式高能球磨机中的球磨珠直径为15mm；行星式高能球磨机转速为700r/min，球磨时间为30min；
步骤三，向行星式高能球磨机的球磨罐中加入KClO4粉，混合均匀并再次球磨，行星式高能球磨机中的球磨珠直径为30mm；球磨后过100目标准筛，制得高电导加热粉；行星式高能球磨机的转速为40r/min，球磨时间为1h。
应用实施例1
采用实施例1中制备的高电导加热粉制作热值增强型高电导加热片，热值增强型高电导加热片质量为3.4g，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单元热电池。
对比例1
与应用实施例1不同的是：采用Fe粉和KClO4粉的质量比＝84:16制成的加热片，加热片的重量为4.2g，按照应用实例1的方法组装成热电池单体，采取16单体串联的方式装配成单元热电池。
将应用实例1和对比例1组装得到的单元热电池加载4A恒流放电，放电曲线对比图如见附图1所示。
通过将应用实例1和对比例1进行恒流放电，放电时间为800s，采用高电导加热粉制备的单元热电池，单体内阻减小，压降减慢，提高热电池电性能。热电池其他材料不变的情况下，保证热电池工作温度，热电池质量不变甚至减轻，增加热电池比容量，未来轻质、低内阻热电池将更适用于武器系统轻量化发展。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在没有背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同含义和范围内的所有变化囊括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高电导加热粉，其特征在于：包括的原料及其质量百分比为：Fe粉15％～35％、KClO4粉10％～20％、高电导金属粉30％～45％和高热值金属粉10％～25％。
2.根据权利要求1所述的一种高电导加热粉，其特征在于：所述高电导金属粉为Cu粉、Ag粉、W粉、Co粉、Ni粉中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的一种高电导加热粉，其特征在于：所述高热值金属粉为Mg粉和Al粉中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的一种高电导加热粉，其特征在于：所述高电导金属粉的质量百分比为30％～35％。
5.根据权利要求4所述的一种高电导加热粉，其特征在于：所述高热值金属粉的质量百分比为15％～20％。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种高电导加热粉的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、按质量百分比分别称取Fe粉、KClO4粉、高电导金属粉和高热值金属粉，然后进行烘干处理待用；
步骤二、将Fe粉、高电导金属粉和高热值金属粉混合得到混合料，然后放入球磨机中进行球磨；
步骤三、向球磨后的混合料中加入KClO4粉并混合均匀，混合后球磨处理，然后过100目～200目标准筛，即制得高电导加热粉。
7.根据权利要求6所述的一种高电导加热粉的制备方法，其特征在于：步骤二中，球磨机中的球磨珠直径为10mm～20mm；球磨机转速为500r/min～2000r/min，球磨时间为30min～3h。
8.根据权利要求7所述的一种高电导加热粉的制备方法，其特征在于：步骤三中，球磨机中球磨珠直径为25mm～40mm；球磨机的转速为25r/min～40r/min，球磨时间为1h～8h。
9.根据权利要求1～5任一项所述的一种高电导加热粉在热值增强型加热片和/或高电导加热片中的应用。
10.根据权利要求9所述的热值增强型加热片和/或高电导加热片在热电池中的应用。
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