CN112103466B - 一种热激活电池用正极片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热激活电池用正极片及其制备方法，所述正极片由氯化铅、熔盐电解质粉体、导电剂混合球磨、压片得到。基于该正极片组装得到的Li‑PbCl2热激活电池以氯化铅作为热激活电池正极活性材料，PbCl2来源可以是含铅相关工业的回收物，如废旧铅酸电池的余量铅等，一定程度上有利于环保，克服了现有Li/FeS2热激活电池正极活性材料高温易分解、利用率低等缺点，所得热激活电池具有正极热稳定性高，活性材料PbCl2纯度要求低，成本低廉，正极活性材料利用率高于当前商用正极材料，倍率性能稳定，对环境和资源友好等优点。
Description
技术领域
本发明属于热激活电池领域，具体涉及一种热激活电池用正极片及其制备方法。
背景技术
热激活电池(热电池)自二战末期发明以来，因其自身的特点和优势，如激活时间极短、可大电流放电、可服役于苛刻环境、自放电极小等，可作为鱼雷、飞弹的引信激活电源，也可用于太空卫星、飞机起落架的紧急备用电源。
根据现已发表公开的文献资料可知：目前较为成熟的热电池主要为Li/FeS2热激活电池，但因FeS2具有电阻率较大、高温下易分解等缺点，因此急需开发新型热激活电池替代Li/FeS2热激活电池。
目前，对于热激活电池的研究主要集中在正极材料的开发改性以及负极合金材料的开发。已经开发的负极合金材料主要有锂铝合金、锂硅合金、LAN(lithium-ironmixture，锂铁混合物)、锂硼合金，其中锂硼合金是目前用于热激活电池性能较好的负极材料，其相对于锂的电势较小，合金中的含锂量及锂的利用率较大。另外，韩国的Yu-Song Choi等人利用泡沫镍吸附液态金属锂制备成热激活电池的负极片，以FeS2作为正极活性物质，装配得到性能较好的热激活电池。现有的热激活电池的正极材料主要包括CoS2、NiCl2、NiS2等材料，虽然这些材料的比容量、开路电压等性能相对于FeS2有较大的优点，但是它们具有制备成本昂贵、制备工艺复杂、会与电解质发生熔浸等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种热稳定性好、活性物质利用率高的热激活电池用正极片及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：
提供一种热激活电池用正极片，所述正极片由氯化铅、熔盐电解质粉体、导电剂混合球磨、压片得到。
按上述方案，所述氯化铅、熔盐电解质粉体、导电剂的质量比为6：4：3。
按上述方案，所述熔盐电解质粉体选自LiCl-KCl熔盐，LiCl-LiF-LiBr熔盐，LiF-LiBr-KBr熔盐中的一种。LiCl-KCl熔盐中原料LiCl与KCl优选质量比为45：55，LiCl-LiF-LiBr熔盐中LiCl、LiF与LiBr优选质量比为22：9.6：68.4，LiF-LiBr-KBr熔盐中LiF、LiBr与KBr优选质量比为0.67：57.33：42。
按上述方案，所述导电剂选自Super P碳黑，乙炔黑，碳纳米管中的一种。
本发明还提供上述热激活电池用正极片的制备方法，具体步骤如下：
1)熔盐电解质粉体的制备：
在氩气气氛下，将制备熔盐电解质粉体的原料粉末(LiCl-KCl熔盐原料粉末为氯化锂和氯化钾，以此类推)按比例置于球磨罐中球磨，然后将球磨好的混合粉末进行预熔处理得到熔盐，再将熔盐破碎，在300～400rpm转速下球磨2～3h，最后加入氧化镁继续球磨1～2h得到熔盐电解质粉体；
2)正极片的制备：
将步骤1)所得熔盐电解质粉体与氯化铅和导电剂进行充分球磨混合，得到正极粉体，然后在氩气气氛下，将所得正极粉体用模具压片，得到Li-PbCl2正极片。
按上述方案，步骤1)将制备熔盐电解质粉体的原料粉末按比例置于球磨罐中球磨的工艺条件为：加入和原料粉末等重的玛瑙或氧化锆磨球，球磨转速为250～350rpm，球磨时间为1～2h。
按上述方案，步骤1)所述预熔处理工艺条件为：在氩气气氛保护下进行预熔，预熔温度比原料粉末低共熔点温度高100～150℃，预熔时间为4h，最后随炉冷却至室温。
按上述方案，步骤1)所述氧化镁加入量为原料粉末总质量的20％。
按上述方案，步骤2)所述球磨混合工艺条件为：在氩气气氛下球磨，球磨转速为250～350rpm，球磨时间为1～2h。
本发明还提供上述热激活电池用正极片在热激活电池中的应用。
本发明还提供根据上述热激活电池用正极片制备得到的热激活电池。
按上述方案，所述热激活电池包括上述正极片及负极，所述负极为泡沫镍-金属锂复合材料(制备方法参见：Ding Y,Guo X,Qian Y,et al.ALiquid-Metal-EnabledVersatile Organic Alkali-Ion Battery[J].Advanced Materials,2019,31(11):1806956.)。该热激活电池正极活性材料为氯化铅，负极活性材料为金属锂，为Li-PbCl2热激活电池。
本发明利用较为廉价的氯化铅作为热激活电池正极片活性物质，氯化铅热稳定性高，本征离子及电子电导率高，使得活性物质利用率高，放电平稳，倍率性能优异。同时本体系对氯化铅纯度要求不高，原料可以来自含铅相关工业的废料回收，有助于减少铅相关污染。基于该正极片得到的热激活电池活性物质利用率高、正极热稳定性高、放电稳定。
本发明的有益效果在于：1、本发明的Li-PbCl2热激活电池以氯化铅作为热激活电池正极活性材料，PbCl2来源可以是含铅相关工业的回收物，如废旧铅酸电池的余量铅等，一定程度上有利于环保，克服了现有Li/FeS2热激活电池正极活性材料高温易分解、利用率低等缺点，所得热激活电池具有正极热稳定性高，活性材料PbCl2纯度要求低，成本低廉，正极活性材料利用率高于当前商用正极材料，倍率性能稳定，对环境和资源友好等优点。2、本发明提供的制备方法工艺简便，适合工业化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1所制备的热激活电池的结构示意图；
图2为实施例1所制备的热激活电池放电电流密度为0.25C时(1C＝0.19Acm-2)的放电图；
图3为实施例1所制备的热激活电池放电电流密度为0.5C时的放电图；
图4为实施例1所制备的热激活电池放电电流密度为1C时的放电图；
图5为实施例2所制备的热激活电池放电电流密度为0.25C时的放电图；
图6为实施例2所制备的热激活电池放电电流密度为0.5C时的放电图；
图7为实施例2所制备的热激活电池放电电流密度为1C时的放电图。
图中：1-负极接线柱，2-固定螺母，3-陶瓷圈，4-顶盖，5-石英玻璃管，6-负极，7-电解质，8-正极片，9-集流片，10-正极接线柱，11-外壳体。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种热激活电池用正极片，制备方法如下：
1)在充满氩气的手套箱中按照质量比为45：55的比例分别称取粉末样品氯化锂和氯化钾，加入和粉末样品等重的氧化锆磨球后利用球磨机(Retsch PM100)进行球磨，在手套箱内密封好球磨罐之后取出球磨，球磨转速为300rpm，球磨时间为1.5h，将球磨好的电解质在氩气气氛保护下进行预熔，预熔温度为400℃，预熔时间为4h，冷却后将预熔好的熔盐破碎，转移至球磨罐中并加入和样品等重的氧化锆磨球进行球磨，球磨转速为350rpm，球磨时间为2.5h，最后再加入氧化镁(加入量为氯化锂和氯化钾总质量的20％)，同样的转速下球磨1.5h得到熔盐电解质粉体；
2)在氩气气氛下，按质量比为6：4：3称取氯化铅、上述制备的熔盐电解质粉体、导电剂(Super P炭黑)进行充分球磨混合，球磨转速为300rpm，球磨时间为1.5h，得到正极粉体；在氩气气氛下，将正极粉体(每份0.6g)置于内径20mm的不锈钢压片模具内，采用5MPa的压力进行压片，保压1min，脱模即得到正极片。
制备负极：将直径10mm、厚5mm，中间穿有直径5mm孔的圆片状泡沫镍(孔隙率：95％-98％，通孔率≥98％)利用螺母固定在螺杆一端，将泡沫镍完全浸没在熔融的金属锂液中，后将其一并放入负压仓中，负压仓保压压力为-0.1MPa，保压1min，即得到泡沫镍-金属锂负极(参见：Ding Y,Guo X,Qian Y,et al.ALiquid-Metal-Enabled VersatileOrganic Alkali-Ion Battery[J].Advanced Materials,2019,31(11):1806956.)。
以上述制备的正极片和负极组装Li-PbCl2热激活电池：Li-PbCl2热激活电池结构如图1所示，包括负极接线柱1、负极6、正极片8、集流片9、外壳体11及正极接线柱10，其中负极接线柱、外壳体及正极接线柱均采用不锈钢材质，集流片采用镍片，按照图1所示结构，在外壳体11内自下而上将集流片9、正极片8、电解质7(前述熔盐电解质粉体压片得到)以及负极6依次叠片于石英玻璃管5内，最后旋紧顶盖4，从顶盖4开孔处的陶瓷圈3内接出负极接线柱1后旋紧固定螺母2，并从外壳体11引出正极接线柱10完成组装，得到Li-PbCl2热激活电池。
采用外热源激活模式进行激活测试：在氩气环境、外热源温度为450℃条件下，放电电流密度为0.25C，截止电压为0.5V时测试结果如图2所示，其开路电压为1.8V，比容量为168.0mAh/g，活性物质利用率为87.5％。在放电电流密度为0.5C，截止电压为0.5V时测试结果如图3所示，其开路电压约1.8V，比容量为148.7mAh/g，活性物质利用率为77.4％。在放电电流密度为1C，截止电压为0.5V时测试结果如图4所示，其开路电压为1.45V，比容量为118.5mAh/g，活性物质利用率为61.7％。
实施例2
一种热激活电池用正极片，制备方法如下：
1)在充满氩气的手套箱中按照质量比为45：55的比例分别称取粉末样品氯化锂和氯化钾，加入和粉末样品等重的氧化锆磨球后利用球磨机(Retsch PM100)进行球磨，在手套箱内密封好球磨罐之后取出球磨，球磨转速为300rpm，球磨时间为1.5h，将球磨好的电解质在氩气气氛保护下进行预熔，预熔温度为550℃，预熔时间为4h，冷却后将预熔好的熔盐破碎，转移至球磨罐中并加入和样品等重的氧化锆磨球进行球磨，球磨转速为350rpm，球磨时间为2.5h，最后再加入氧化镁(加入量为氯化锂和氯化钾总质量的20％)，同样的转速下球磨1.5h得到熔盐电解质粉体；
2)在氩气气氛下，按质量比为6：4：3称取氯化铅、上述制备的熔盐电解质粉体、导电剂(Super P炭黑)进行充分球磨混合，球磨转速为300rpm，球磨时间为1.5h，得到正极粉体；在氩气气氛下，将正极粉体(每份0.6g)置于内径20mm的不锈钢压片模具内，采用10MPa的压力进行压片，保压1min，脱模即得到正极片。
采用与实施例1相同的方法制备负极，组装热激活电池并进行测试，测试结果如下：
采用外热源激活模式进行激活测试：在氩气环境、外热源温度为450℃条件下，放电电流密度为0.25C，截止电压为0.5V时测试结果如图5所示，其开路电压约1.9V，比容量为149.5mAh/g，活性物质利用率为77.9％。在放电电流密度为0.5C，截止电压为0.5V时测试结果如图6所示，其开路电压约1.6V，比容量为142.2mAh/g，活性物质利用率为74.1％。在放电电流密度为1C，截止电压为0.5V时测试结果如图7所示，其开路电压约1.8V，比容量为103.7mAh/g，活性物质利用率为54.0％。
Claims (9)
1.一种热激活电池用正极片，其特征在于，所述正极片由氯化铅、熔盐电解质粉体、导电剂混合球磨、压片得到；
所述熔盐电解质粉体选自LiCl-KCl熔盐，LiCl-LiF-LiBr熔盐，LiF-LiBr-KBr熔盐中的一种。
2.根据权利要求1所述的热激活电池用正极片，其特征在于，所述氯化铅、熔盐电解质粉体、导电剂的质量比为6：4：3。
3.根据权利要求1所述的热激活电池用正极片，其特征在于，所述导电剂选自Super P碳黑，乙炔黑，碳纳米管中的一种。
4.一种权利要求1-3任一所述的热激活电池用正极片的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1)熔盐电解质粉体的制备：
在氩气气氛下，将制备熔盐电解质粉体的原料粉末按比例置于球磨罐中球磨，然后将球磨好的混合粉末进行预熔处理得到熔盐，再将熔盐破碎，在300～400rpm转速下球磨2～3h，最后加入氧化镁继续球磨1～2h得到熔盐电解质粉体；
2)正极片的制备：
将步骤1)所得熔盐电解质粉体与氯化铅和导电剂进行充分球磨混合，得到正极粉体，然后在氩气气氛下，将所得正极粉体用模具压片，得到Li-PbCl2正极片。
5.根据权利要求4所述的热激活电池用正极片的制备方法，其特征在于，步骤1)将制备熔盐电解质粉体的原料粉末按比例置于球磨罐中球磨的工艺条件为：加入和原料粉末等重的玛瑙或氧化锆磨球，球磨转速为250～350rpm，球磨时间为1～2h。
6.根据权利要求4所述的热激活电池用正极片的制备方法，其特征在于，步骤1)所述预熔处理工艺条件为：在氩气气氛保护下进行预熔，预熔温度比原料粉末低共熔点温度高100～150℃，预熔时间为4h，最后随炉冷却至室温。
7.根据权利要求4所述的热激活电池用正极片的制备方法，其特征在于，步骤1)所述氧化镁加入量为原料粉末总质量的20％。
8.一种权利要求1-3任一所述的热激活电池用正极片在热激活电池中的应用。
9.一种Li-PbCl2热激活电池，其特征在于，所述热激活电池包括权利要求1-3任一所述的正极片及负极，所述负极为泡沫镍-金属锂复合材料。
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