CN112166698B

CN112166698B - 固态脉冲半电池及其制备方法

Info

Publication number: CN112166698B
Application number: CN200810077465.1A
Authority: CN
Inventors: 姚阳; 李剑锋; 张军; 龚晏青; 谭多望; 刘仓理; 张蓉; 孙永强
Original assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Current assignee: Institute of Fluid Physics of CAEP
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2028-11-04

Abstract

本发明提供一种固态脉冲半电池及其制备方法。本发明的固态脉冲半电池将电极、熔盐电解质平行叠加，形成固态脉冲半电池的单元结构材料层，再将多个单元结构材料层进行串联或并联，并在相邻单元结构材料层间加入集电片，形成单元组结构材料层；单元组结构材料层位于套筒壁、上端盖和下端盖连接组成的套筒中；接线柱和接线柱分别固定连接在上端盖和下端盖上；在下端盖的底面设置有冲击波发生器。本发明的固态脉冲半电池具有单位体积或单位质量输出电功率高的特点，其所输出的电脉冲时间宽度可小于1μs，其输出电脉冲上升沿和下降沿可小于100ns。本发明结构简单，固态脉冲半电池所存储的电化学能量将以脉冲电能量形式快速输出。

Description

固态脉冲半电池及其制备方法

技术领域

本发明属于脉冲电磁能量输出的器件或装置技术领域，具体涉及一种固态脉冲半电池及其制备方法。

技术背景

电子信息系统已经成为当今世界的基础设施。电子信息技术已成为未来知识经济和新军事变革的主导力量之一。针对电子信息的收集、传递以及分析系统的电子干扰机等电子战进攻装备，如高能定向能武器以及电磁脉冲炸弹等，因其所展现的针对遥测、遥感、通讯、指挥及电力系统的攻击能力，受到了世界各国的高度关注。在现代的多次军事行动中，电磁武器的成功运用，证明了电磁武器的重大价值。世界上各主要军事强国，均不同程度地开展了电磁武器技术的研究工作。一种能够快速输出脉冲电磁能量的装置是电磁脉冲武器系统的重要组成部分。

目前常用的脉冲电磁能量产生方法主要包括：1首先对电容器组充电，然后通过快速开关使电容器组快速释放其所存储的电能量；2首先利用电/磁场使置于其中的特殊固体材料发生电磁极化，再通过快速退极化的方法是其快速释放其所存储的电磁极化能；3利用爆轰波驱动发电机构，此种方法一般利用电感性单元储存所产生的电磁能量，由于高储能电感单元输出电磁能量的速率较低，此类系统中一般要采用特殊的脉冲压缩单元来缩短电磁脉冲的时间宽度。以上三种类型的脉冲电磁能量装置均具有结构复杂、能量效率低、单位体积/质量所产出的脉冲电磁能量低。

2008年3月获得授权的美国专利US7348101“Lithium secondary cell with high chargeand discharge rate capacity”，采用膏状粘合剂将含有LiCoO₂、LiMn₂O₄或LiNiO₂颗粒物的粉体涂敷在薄膜上组成半电池的正极，采用LiN、LiI或具有更高分子量的可导通锂离子的多组分流体或膏状材料为电解质，采用含有石墨颗粒或非石墨碳颗粒的材料为负极，但其电流密度输出能力仅为1mA/cm²至2mA/cm²，输出脉冲宽度长达550μs，难以满足驱动需要更高功率输入的脉冲功率系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种固态脉冲半电池，同时提供一种固态脉冲半电池的制备方法。

本发明的一种固态脉冲半电池，包括电极、熔盐电解质、集电片、套筒壁、上端盖、下端盖、两个接线柱、冲击波发生器。

本发明的一种固态脉冲半电池中，电极、熔盐电解质、集电片三种材料均为厚度在0.02μm至100μm范围的薄膜材料；按电极、熔盐电解质的顺序，将薄膜材料依次相互平行叠加，可形成固态脉冲半电池的单元结构材料层，再将多个单元结构材料层进行串联或并联，并在相邻的单元结构材料层间加入薄膜材料的集电片，形成固态脉冲半电池的单元组结构材料层，以满足具体的电能量输出要求；电极、熔盐电解质、以及集电片均装在由套筒壁、上端盖和下端盖连接组成的套筒内，两个接线柱分别连接在上端盖和下端盖上，在下端盖的底面还设置有冲击波发生器，冲击波发生器也可设置在上端盖的顶面。

电极材料采用Li、Mg、Zn、Al、LiAl合金、LiSi合金、LiB合金、或金属硫化物、S和金属硫化物的混合物中的一种；熔盐电解质为KCl、LiCl、KCl-LiCl混合物、三元的全锂电解质LiCl-LiBr-LiF中的一种；集电片材料为具有稳定化学性质的材料，不锈钢或镍；套筒壁为能够承受一定冲击压力的绝缘材料聚四氟乙烯或陶瓷；上端盖和下端盖的材料与集电片的材料相同；冲击波发生器可采用平面波透镜或飞片发射装置。

本发明的一种固态脉冲半电池的制备方法，包括下列内容：

在干燥无氧环境中，将电极、熔盐电解质和集电片三种薄膜材料切割成所需尺寸形状，并去除边沿毛刺；在干燥无氧环境中，按电极、熔盐电解质和集电片的顺序，将薄膜材料依次紧密平行叠放，形成固态脉冲半电池的单元组结构材料层；将叠放好的单元组结构材料层装入由套筒壁、上端盖、下端盖连接组成的套筒中，同时应保持单元组结构材料层与套筒壁、上端盖和下端盖内表面的紧密贴合状态；然后将两个接线柱的一端，分别安装在上端盖和下端盖上；最后在下端盖的底面或上端盖的顶面设置冲击波发生器。

本发明的一种固态脉冲半电池的制备方法，还可以采用下列内容制备：

在干燥无氧环境中，按电极、熔盐电解质和集电片的顺序，将三种材料依次用镀膜方法镀在一块设定尺寸和形状且具有稳定化学性质的导电基板上，形成固态脉冲半电池的单元组结构材料层，镀膜过程中，已镀膜层处温度应低于全部材料的最低熔点温度；将套筒壁、上端盖和下端盖连接组成套筒，镀好的单元组结构材料层放入套筒中，同时应保持单元组结构材料层与套筒壁、上端盖和下端盖内表面的紧密贴合状态；然后将两个接线柱，分别安装在上端盖和下端盖上；最后在下端盖的底面或上端盖的顶面设置冲击波发生器。镀膜方法采用激光镀膜、电子束加热的蒸镀镀膜或其它溅射镀膜方法中的一种。

本发明的固态脉冲半电池由触发其冲击波发生器来达到输出电能量的工作状态。冲击波发生器被触发后，在单元组结构材料层中产生冲击波，进而固态脉冲半电池开始输出脉冲电能量。

固态脉冲半电池中各膜层材料中的空隙特征、空隙度以及度量各膜层表面的粗糙程度的特征长度均可影响其脉冲电能量的输出演化形式及大小。度量各膜层表面的粗糙程度的特征长度应小于对应膜层的厚度；各层薄膜材料中设置的具有微观尺寸的空隙可影响使其达到输出电能量的冲击波触发阈值；若希望固态脉冲半电池具有较低的冲击波触发阈值，则应升高膜层材料中的微观空隙所占体积比例；若希望固态脉冲半电池具有较高的冲击波触发阈值，则应降低膜层材料中的微观空隙所占体积比例。

本发明利用下述效应来实现输出脉冲电能量的功能：两种相邻的薄膜状固态材料，在冲击波的作用下，两种固态材料温度升高进而熔化为液体，如果其中一种液体材料中存在自由电子，则可能发生正离子穿过界面的宏观定向扩散运动，而电子却滞留在原位；如果其中一种液体材料中存在带负电荷的离子，则也可能发生此负离子穿过界面的宏观定向扩散运动，而带正电荷的离子却滞留在原位。此种因物质组分浓度分布存在梯度的条件下所发生宏观的定向扩散效应，当扩散最小单元为带电离子时，系统因此而降低的自由能一般以电磁能量的形式向外输出。

本发明的固态脉冲半电池的电流密度输出不低于10A/cm²，电流脉冲宽度可小于1μs，其输出电流脉冲上升沿和下降沿可小于100ns。

本发明结构简单，可将固态脉冲半电池所存储的电化学能量以脉冲电能量形式快速输出，功能单元界面电流密度大，装置单位体积/质量所能输出的脉冲功率高、脉冲能量大。本发明主要应用于驱动需要高功率、大能量输入的脉冲功率系统，如在电磁脉冲武器系统中作为初级脉冲能源。

附图说明

图1为本发明的固态脉冲半电池实施例的结构示意图

图2为本发明的固态脉冲半电池实施例产生的脉冲信号曲线图

图3为本发明的固态脉冲半电池实施例产生的脉冲信号曲线图

图中，1.电极 2.熔盐电解质 3.集电片 4.套筒壁 5.上端盖 6.下端盖7.第一接线柱 8.第二接线柱 9.冲击波发生器

具体实施方式

下面结合附图对本发明的固态脉冲半电池进行详细的描述。

图1为本发明的固态脉冲半电池实施例的结构示意图。固态脉冲半电池的内部是由电极1、熔盐电解质2、集电片3依次紧密叠加构成的单元组结构材料层；它们位于由套筒壁4、上端盖5、下端盖6形成的套筒中；接线柱7的一端和接线柱8的一端分别连接在上端盖5和下端盖6上；在下端盖6的底面还设置有冲击波发生器9，冲击波发生器9也可设置在上端盖5的顶面。其中电极1材料采用Li；熔盐电解质2为KCl；集电片3、上端盖5和下端盖6材料为不锈钢；套筒壁4为聚四氟乙烯；冲击波发生器采用平面波透镜。

负极1或正极1的材料还可以采用Mg、Zn、Al、LiAl合金、LiSi合金、LiB合金、或金属硫化物、S和金属硫化物的混合物中的一种；熔盐电解质2材料可以是LiC、KCl-LiCl混合物、三元的全锂电解质LiCl-LiBr-LiF中的一种；集电片3、上端盖5和下端盖6的材料可以采用镍；套筒壁4还可以用陶瓷；冲击波发生器还可以是飞片发射装置。

电极1、熔盐电解质2、以及集电片3均为厚度在0.02μm至100μm范围的薄膜材料。固态脉冲半电池单元结构材料层的厚度在0.06μm至300μm范围。多个单元结构材料层紧密叠加后，可根据具体要求使用其它材料对半电池进行封装。

固态脉冲半电池制备方法：

首先在干燥无氧环境中，进行固态脉冲半电池电极1、熔盐电解质2、集电片3三种材料的组合安装，可有两种方法选择。

方法一是将薄膜材料的电极1、熔盐电解质2、集电片3切割成所需尺寸形状，并去除边沿毛刺；然后按电极1、熔盐电解质2、集电片3的顺序，依次紧密叠放，同时应保持薄膜层间的紧密贴合状态，必要时需进行压紧的措施。

方法二是在干燥无氧环境中，按电极1、熔盐电解质2、集电片3的顺序，将三种材料依次用激光镀膜方法镀在一块设定尺寸和形状且具有稳定化学性质的导电基板上，镀膜过程中已镀膜层处温度应低于全部材料的最低熔点温度。镀膜方法也可采用电子束加热的蒸镀镀膜或其它溅射镀膜方法。导电基板材料采用不锈钢或镍。

其次在干燥无氧环境中，清洁套筒壁4、上端盖5、下端盖6；连接套筒壁4和下端盖6，放入叠放好或镀好的单元组结构材料层，然后安装上端盖5，完成套筒的安装，整个过程应保持单元组结构材料层与套筒壁4、上端盖5、下端盖6内表面的紧密贴合状态。

然后安装第一接线柱7和第二接线柱8，第一接线柱7和第二8的位置可根据实际需要，设置在固态脉冲半电池的侧边或上下底边，并使第一接线柱7和第二接线柱8的一端，分别连接在上端盖5和下端盖6上。

最后根据固态脉冲半电池外径尺寸，将具有相应尺寸的冲击波发生器9安装在下端盖6的底面或上端盖5的顶面。根据采集输出信号的需要，可将信号采集设备与固态脉冲半电池的第一接线柱7和第二接线柱8连接。冲击波发生器9采用平面波透镜或飞片发射装置。

图2为本发明的固态脉冲半电池实施例产生的脉冲信号曲线图。固态脉冲半电池的薄膜材料，为包括电极1、熔盐电解质2的单元结构材料层。负极1采用99.9％金属Li，熔盐电解质2采用KCl，用10μm厚、直径Φ16mm的304号不锈钢片作为导电基板，将单一膜层厚度为5μm的材料电极1、熔盐电解质2镀在其上，固态脉冲半电池外径Φ38mm，采用图1所示的固态脉冲半电池实施例结构，冲击波速度8030m/s，到达下端盖6底面时间约9.89μs，压力约9.6GPa。输出的脉冲电压信号其上升沿约30ns，首脉冲峰值0.7v，最大脉峰值约0.8v，下降沿约470ns，脉宽约600ns，从起爆平面波透镜开始的脉冲响应时间约15.44μs。

图3为本发明的固态脉冲半电池实施例产生的脉冲信号曲线图。固态脉冲半电池的薄膜材料，为包括电极1、熔盐电解质2、集电片3的单元组结构材料层，共两个单元结构材料层。采用与图2所示的固态脉冲半电池实施例相同的电极1和熔盐电解质2；集电片3为10μm厚的304号不锈钢。电极1、熔盐电解质2、集电片3直径均为Φ16mm，固态脉冲半电池外径Φ38mm。采用图1所示的固态脉冲半电池实施例结构，冲击波速度8030m/s，到达下端盖6底面时间约9.89μs，压力约9.6GPa。输出的脉冲电压信号，其上升沿约40ns，首脉冲峰值和最大峰值约1.5v，下降沿约60ns，脉宽约900ns，从起爆平面波透镜开始的脉冲响应时间约15.5μs。

Claims

1.一种固态脉冲半电池，其特征在于：所述的固态脉冲半电池包括电极(1)、熔盐电解质(2)、集电片(3)、套筒壁(4)、上端盖(5)、下端盖(6)、第一接线柱(7)、第二接线柱(8)、冲击波发生器(9)；构成固态脉冲半电池的电极(1)、熔盐电解质(2)、集电片(3)均为薄膜材料，薄膜材料厚度在0.02μm至100μm范围；将电极(1)、熔盐电解质(2)平行叠加，形成固态脉冲半电池的单元结构材料层，再将多个单元结构材料层进行串联或并联，并在相邻的单元结构材料层间加入集电片(3)，形成单元组结构材料层；单元组结构材料层位于套筒壁(4)、上端盖(5)和下端盖(6)连接组成的套筒中；第一接线柱(7)和第二接线柱(8)分别固定连接在上端盖(5)和下端盖(6)上；在下端盖(6)的底面或上端盖(5)的顶面设置有冲击波发生器(9)。

2.根据权利要求1所述的固态脉冲半电池，其特征在于：所述的电极(1)材料采用Li、Mg、Zn、Al、LiAl合金、LiSi合金、LiB合金、或金属硫化物、S和金属硫化物的混合物中的一种；所述熔盐电解质(2)材料为KCl、LiCl、KCl-LiCl混合物、三元的全锂电解质LiCl-LiBr-LiF中的一种；所述集电片(3)材料为不锈钢或镍；所述的套筒壁(4)为聚四氟乙烯或陶瓷；所述的上端盖(5)、下端盖(6)采用与集电片(3)相同的材料。

3.根据权利要求1或2所述的固态脉冲半电池，其特征在于：所述在下端盖(6)的底面或上端盖(5)的顶面设置的冲击波发生器(9)采用平面波透镜或飞片发射装置。

4.一种用于权利要求1所述的固态脉冲半电池的制备方法，其特征在于包括下列内容：

a).在干燥无氧环境中，将电极(1)、熔盐电解质(2)、集电片(3)三种薄膜材料切割成所需尺寸形状，并去除边沿毛刺；

b).在干燥无氧环境中，将套筒壁(4)、上端盖(5)和下端盖(6)连接组成套筒，按电极(1)、熔盐电解质(2)、集电片(3)的顺序，将薄膜材料依次紧密的平行叠放成单元组结构材料层，然后将叠放好的单元组结构材料层安装在套筒中，同时应保持单元组结构材料层与套筒壁(4)、上端盖(5)和下端盖(6)内表面的紧密贴合状态，然后将第一接线柱(7)的一端和第二接线柱(8)的一端，分别固定连接在上端盖(5)和下端盖(6)上；

c).将具有相应尺寸的冲击波发生器(9)安装在下端盖(6)的底面或上端盖(5)的顶面。

5.一种用于权利要求1所述的固态脉冲半电池的制备方法，其特征在于包括下列内容：

a).在干燥无氧环境中，将所需电极(1)、熔盐电解质(2)、集电片(3)材料依次用镀膜方法，镀在一块设定尺寸和形状且具有稳定化学性质的导电基板上，形成单元组结构材料层，镀膜过程中，已镀膜层处温度应低于全部材料的最低熔点温度；

b).在干燥无氧环境中，将套筒壁(4)、上端盖(5)和下端盖(6)连接组成套筒，镀好的单元组结构材料层安装在套筒中，同时应保持单元组结构材料层与套筒壁(4)、上端盖(5)和下端盖(6)内表面的紧密贴合状态，然后将第一接线柱(7)的一端和第二接线柱(8)的一端分别固定连接在上端盖(5)和下端盖(6)上；

6.根据权利要求7所述的固态脉冲半电池的制备方法，其特征在于：所述的镀膜方法采用激光镀膜、电子束加热的蒸镀镀膜或其它溅射镀膜方法中的一种。