CN115020908B - 一种热电池陶瓷隔膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了热电池技术领域的一种热电池陶瓷隔膜的制备方法，包括以下步骤：S1、电解质水溶液制备：将电解质和纯净水混合得到电解质水溶液，电解质和纯净水的质量比值为：0.01～0.5；S2、QNJ隔热纸表面改性处理：石棉垫片放入到电解质水溶液中浸润，浸润后的石棉垫片和QNJ隔热纸间隔叠放，再放入400～600℃的高温箱进行煅烧，得到吸水性的QNJ隔热纸；S3、电解质在QNJ隔热纸上负载：把吸水性的QNJ隔热纸放入电解质水溶液浸润，之后放入150℃～300℃高温箱进行干燥，再放入400℃～600℃氮气气氛条件下的高温箱煅烧得到热电池陶瓷隔膜片。本专利提供一种孔陶瓷隔膜来代替传统的压片隔膜，具有对电解质优异吸附性和力学性能，减少短路的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及热电池技术领域，具体涉及一种热电池陶瓷隔膜及其制备方法。
背景技术
热电池是一种依靠其本身加热系统将不导电的固体状态盐类电解质加热熔融呈离子型导体而进入工作状态的热激活贮备电池。热电池具有任意角度激活、激活速度快、贮存时间长、承受环境力学条件能力强等特点，已广泛运用于武器系统等，此外，热电池在民用领域中应用也得到重视，已有关于其作为飞机应急电源、火警电源、地下高温探矿电源的研究报道。
随着军事装备的不断发展和更新，对热电池性能的要求越来越高，对其输出功率、高比特性要求越来越大。热电池主要由基片、正极片、负极片、隔膜片、片状集流片、加热系统(电点火头或火冒、引燃纸、加热片)、保温垫片、电池壳和带接线柱的电池盖组成，其中热电池电极材料对其输出容量、比容量、比功率等电化学性能的影响最为关键。
在传统的热电池中，LiCl-KCl或LiF-LiCl-LiBr的粒状共晶盐与粘合剂相混合后，被广泛用作隔膜片，已经测试了多种材料作为粘合剂相，包括SiO2，TiO2，Al203，BN和MgO。MgO具有与熔融电解质的很好稳定性和相容性，是目前吸附剂最佳选择。另一方面，由于其固有的易碎性，很难将电解质粉末压制成直径为100mm，厚度小于0.4mm的薄片。为了获得最低的操作强度并在操作过程中保留熔融盐，需要大约50vol％的MgO，这比实际电池操作所需的量要大得多。同时，隔膜中MgO含量增加会伴随热电池的内阻增加，这也伴随着能量密度的降低。
为此，本发明人发明一种多孔陶瓷隔膜来代替传统的压片隔膜，可以避免传统的压片隔膜结构的单体电池力学性能差的缺点，增强隔膜电化学性能。而且，与常规隔膜的结构相比，陶瓷隔膜对电解质优异吸附性和力学性能，减少短路的可能性。
发明内容
本发明意在提供一种热电池陶瓷隔膜及其制备方法，以提供一种孔陶瓷隔膜来代替传统的压片隔膜，具有对电解质优异吸附性和力学性能，减少短路的可能性。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种热电池陶瓷隔膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、电解质水溶液制备：将电解质和纯净水混合得到电解质水溶液，电解质和纯净水的质量比值为：0.01～0.5；
S2、QNJ隔热纸表面改性处理：石棉垫片放入到电解质水溶液中浸润，浸润后的石棉垫片和QNJ隔热纸间隔叠放，再放入400～600℃的高温箱进行煅烧，得到吸水性的QNJ隔热纸；
S3、电解质在QNJ隔热纸上负载：把吸水性的QNJ隔热纸放入电解质水溶液浸润，之后放入150℃～300℃高温箱进行干燥，再放入400℃～600℃氮气气氛条件下的高温箱煅烧得到热电池陶瓷隔膜片。
进一步，所述S1中电解质和纯净水的质量比值为0.01。
进一步，所述S1中电解质和纯净水的质量比值为0.25。
进一步，所述S1中电解质和纯净水的质量比值为0.5。
进一步，所述电解质为LiF–LiCl–LiBr或LiCl–KCl或LiF–LiBr–KB。
进一步，所述S2中浸润后的石棉垫片和QNJ隔热纸间隔叠放时，至少保证两张石棉片中间放入2～10张QNJ隔热纸。
进一步，所述S2中将石棉垫片和QNJ隔热纸裁剪后成相同的面积再进行操作。
进一步，所述S1、S2、和S3均在湿度＜3％的环境中完成。
一种热电池陶瓷隔膜制备方法制备得到的热电池陶瓷隔膜片。
本发明的工作原理及有益效果：
1、本发明方法制得的陶瓷隔膜发挥各自原材料的优势，可符合热电池用陶瓷隔膜的要求，具有电化学性能良好且稳定性强、导电性好、成型性、热值高、贮存时间长、快速激活、输出密度较大的电流、抗恶劣环境能力强、安全性高等优点；
2、由于传统其固有的易碎性，很难将电解质粉末压制成直径为100mm英寸，厚度小于0.4英寸的薄片。为了获得最低的操作强度并在操作过程中保留熔融盐，需要大约50vol％的MgO，这比实际电池操作所需的量要大得多。同时，隔膜中MgO含量增加会伴随热电池的内阻增加，这也伴随着能量密度的降低，而本发明的热电池陶瓷隔膜片将吸水性QNJ隔热纸煅烧即可得到，制作方法简单、不易碎，且本发明可以有效提升电池的比能量与比功率。
3、将多孔陶瓷隔膜代替传统的压片隔膜，可以避免传统的压片隔膜结构的单体电池力学性能差的缺点，增强隔膜电化学性能。而且与常规隔膜的结构相比，陶瓷隔膜对电解质优异吸附性和力学性能，减少短路的可能性，提升电池安全性。
附图说明
图1为制备过程中不同样品性能直观体现图；
图2为常规隔膜片与陶瓷隔膜的电性能测试图。
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1：一种热电池用陶瓷隔膜的制备方法，包括如下步骤：
(1)电解质水溶液制备，首先称取一定质量的电解质和纯净水放入烧杯混合，按照质量比电解质：水＝0.5：1的比例混合，制备电解质溶液，电解质为LiF–LiCl–LiBr、，装瓶待用；
(2)QNJ隔热纸表面改性处理，把石棉垫片浸入电解质溶液进行浸润，浸润后的石棉垫片与QNJ隔热纸(隔热纸裁剪成所需面积大小的圆片材料)放入钢盘，石棉垫片与QNJ隔热纸间隔叠放，保障两张石棉片中间放入5张QNJ隔热纸(裁剪后的石棉垫片与裁剪后的QNJ隔热纸面积等同)；最后放入500℃的高温箱进行煅烧，得到吸水性的QNJ隔热纸；
(3)电解质在QNJ隔热纸上负载，把吸水性的QNJ隔热纸放入电解质水溶液浸润，之后放入200℃高温箱进行干燥，干燥2小时，之后放入500℃高温箱煅烧4小时，在氮气气氛下进行煅烧，得到热电池陶瓷隔膜片。
实施例2：一种热电池用陶瓷隔膜的制备，包括如下步骤：
(1)电解质水溶液制备，首先称取一定质量的电解质和纯净水放入烧杯混合，按照质量比电解质：水＝0.2：1的比例混合，制备电解质溶液，电解质为LiF–LiCl–LiB，装瓶待用；
(2)QNJ隔热纸表面改性处理，把石棉垫片浸入电解质溶液进行浸润，浸润后的石棉垫片与QNJ隔热纸(隔热纸裁剪成所需面积大小的圆片材料)放入钢盘，石棉垫片与QNJ隔热纸间隔叠放，保障两张石棉片中间放入5张QNJ隔热纸(裁剪后的石棉垫片与裁剪后的QNJ隔热纸面积等同)；最后放入500℃的高温箱进行煅烧，得到吸水性的QNJ隔热纸；
(3)电解质在QNJ隔热纸上负载，把吸水性的QNJ隔热纸放入电解质水溶液浸润，之后放入200℃高温箱进行干燥，干燥2小时，之后放入500℃高温箱煅烧4小时，在氮气气氛下进行煅烧，得到热电池陶瓷隔膜片。
实施例3
热电池用陶瓷隔膜的制备，包括如下步骤：
(1)电解质水溶液制备，首先称取一定质量的电解质和纯净水放入烧杯混合，按照质量比电解质：水＝0.2：1的比例混合，制备电解质溶液，电解质为LiF–LiCl–LiBr，装瓶待用；
(2)QNJ隔热纸表面改性处理，把石棉垫片浸入电解质溶液进行浸润，浸润后的石棉垫片与QNJ隔热纸(隔热纸裁剪成所需面积大小的圆片材料)放入钢盘，石棉垫片与QNJ隔热纸间隔叠放，保障两张石棉片中间放入10张QNJ隔热纸(裁剪后的石棉垫片与裁剪后的QNJ隔热纸面积等同)；最后放入500℃的高温箱进行煅烧，得到吸水性的QNJ隔热纸；
(3)电解质在QNJ隔热纸上负载，把吸水性的QNJ隔热纸放入电解质水溶液浸润，之后放入200℃高温箱进行干燥，干燥2小时，之后放入500℃高温箱煅烧4小时，在氮气气氛下进行煅烧，得到热电池陶瓷隔膜片。
实施例4
热电池用陶瓷隔膜的制备，包括如下步骤：
(1)电解质水溶液制备，首先称取一定质量的电解质和纯净水放入烧杯混合，按照质量比电解质：水＝0.5：1的比例混合，制备电解质溶液，电解质为LiCl–KCl，装瓶待用；
(2)QNJ隔热纸表面改性处理，把石棉垫片浸入电解质溶液进行浸润，浸润后的石棉垫片与QNJ隔热纸(直接购买的隔热纸进行裁剪成所需面积大小的圆片材料)放入钢盘，石棉垫片与QNJ隔热纸间隔叠放，保障两张石棉片中间放入5张QNJ隔热纸(裁剪后的石棉垫片与裁剪后的QNJ隔热纸面积等同)；最后放入400℃的高温箱进行煅烧，得到吸水性的QNJ隔热纸；
(3)电解质在QNJ隔热纸上负载，把吸水性的QNJ隔热纸放入电解质水溶液浸润，之后放入200℃高温箱进行干燥，之后放入450℃高温箱，在氮气气氛下进行煅烧，得到热电池陶瓷隔膜片。
以上实施例1～实施例4均在湿度＜3％的环境中完成，且电解质LiF–LiCl–LiBr或LiCl–KCl或LiF–LiBr–KB的制备方法参照借鉴文献《Journal of Power Sources 164(2007)397–414，Thermal activated(thermal)battery technology Part II.Moltensalt electrolytes》。
图1为实施例2制备过程中不同样品性能直观体现，1号样品为直接购买的QNJ隔热纸，不吸水；2号样品处理后吸水性的QNJ隔热纸，水滴完全浸入QNJ隔热纸；样品3为负载电解质后的陶瓷隔膜。
本文按照实施例2的制备方法制备16块陶瓷隔膜装配成单元电池进行与常规隔膜装备的单元电池进行放电对比，两个单元电池制备方法一样，其电极材料活性物质用量一致。图2为常规隔膜片与陶瓷隔膜的电性能测试图，两块电池在相同的电流密度100mA/cm2下放电，加载1000mA/cm2脉冲电流密度，与常规复合片相比，脉冲性能更好，小电流电池性能无明显差别，但电池质量更轻(QNJ隔热纸面密度为0.01g/cm2，负载电解质后的面密度0.02g/cm2～0.04g/cm2，常规隔膜的面密度0.12g/cm2～0.18g/cm2)。
应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出多个变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (9)
1.一种热电池陶瓷隔膜的制备方法，包括以下步骤：
S1、电解质水溶液制备：将电解质和纯净水混合得到电解质水溶液，电解质和纯净水的质量比值为：0.01～0.5；
S2、QNJ隔热纸表面改性处理：石棉垫片放入到电解质水溶液中浸润，浸润后的石棉垫片和QNJ隔热纸间隔叠放，再放入400～600℃的高温箱进行煅烧，得到吸水性的QNJ隔热纸；
S3、电解质在QNJ隔热纸上负载：把吸水性的QNJ隔热纸放入电解质水溶液浸润，之后放入150℃～300℃高温箱进行干燥，再放入400℃～600℃氮气气氛条件下的高温箱煅烧得到热电池陶瓷隔膜片。
2.根据权利要求1所述的热电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述S1中电解质和纯净水的质量比值为0.01。
3.根据权利要求1所述的热电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述S1中电解质和纯净水的质量比值为0.25。
4.根据权利要求1所述的热电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述S1中电解质和纯净水的质量比值为0.5。
5.根据权利要求2～4任一项所述的热电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述电解质为LiF–LiCl–LiBr或LiCl–KCl或LiF–LiBr–KB。
6.根据权利要求1所述的热电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述S2中浸润后的石棉垫片和QNJ隔热纸间隔叠放时，至少保证两张石棉片中间放入2～10张QNJ隔热纸。
7.根据权利要求6所述的热电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述S2中将石棉垫片和QNJ隔热纸裁剪后成相同的面积再进行操作。
8.根据权利要求7所述的热电池陶瓷隔膜的制备方法，其特征在于：所述S1、S2、和S3均在湿度＜3%的环境中完成。
9.根据权利要求6～8任一项所述的热电池陶瓷隔膜制备方法制备得到的热电池陶瓷隔膜片。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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