CN116190867B - 一种全开放式长续航火星电池及其制备方法 - Google Patents

一种全开放式长续航火星电池及其制备方法

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Abstract

本发明提供一种全开放式长续航火星电池及其制备方法；该火星电池包括立式蛇形电芯、插入式阳极集电器、网状阴极集电器和防尘透气膜。制备方案如下：蛇形管状固态电解质制备与组装、气体扩散和气体反应双功能层制备与涂装、含Na/K的液态合金制备与加注、棒状阳极和网状阴极集流体集成、防尘透气膜封装。其中，所述气体扩散和气体反应双功能层均匀涂覆在蛇形电解质管外，因此与火星气体具有360°接触面，具有阴极全开放特征，从能量密度上优于传统单面气体反应电极的电池。本发明兼顾固体电解质基电池在火星低环境气压可开放以及液态合金可充分润湿界面的优势，辅以防尘透气膜的保护，将推动长续航、全天候火星电池的设计与开发。

Description

一种全开放式长续航火星电池及其制备方法
技术领域
本发明属于空间电池技术领域，具体涉及一种全开放式长续航火星电池及其制备方法。
背景技术
在太阳系所有行星中，火星的物理性质和化学性质与地球最为相近，是研究生命起源和地球演化等重大科学问题的最佳场所。火星探测器兼具地表巡航和钻孔取样等多重任务，而电池作为动力源是火星探测器的核心组件之一。太阳能电池是目前使用最为广泛的火星探测器动力源，但是其较低的能量转换效率以及受限于火星昼夜交替的影响难以保证持续的动能输出。化学电源具有极高的能量转换效率以及不受太阳光限制的优势，是火星电池的最佳选择之一。为了尽可能增加火星探测器在冬季休眠前的运行时间，要求火星电池具有长续航能力。利用火星大气中高达95.3％的CO2电化学活性气体，开发适合火星环境的高理论比容量的金属-二氧化碳电池被认为是一种解决方案。
考虑到火星不足地球1％的大气压力，传统的液态二氧化碳电池因产气、挥发等问题无法用于火星电源。采用固体电解质取代传统的液态电解质是一种有效方法。然而，太空探测势必对电池的体积和质量做出严格限制，此外，无人值守也可能导致电池CO2反应侧被灰尘长期堵塞，造成电池死亡。
发明内容
本发明提供一种全开放式长续航火星电池及其制备方法，通过设计蛇形固体电解质以及包裹在电解质外的360°全开放式CO2反应电极，最大化利用火星探测器空间体积并增加电池的体积能量密度，再通过防尘透气膜尽可能降低灰尘堵塞的影响，从而实现火星探测电池的全天候长续航运行。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种全开放式长续航火星电池，包括立式蛇形电芯、插入式阳极集电器、网状阴极集电器和防尘透气膜。
所述立式蛇形电芯包括管状蛇形固体电解质、注入在管状固体电解质管内的钠基/钾基液态合金以及包裹在管状固体电解质管外的全开放式气体扩散和气体反应双功能层，其中，所述固体电解质为可以传导钠离子或钾离子的固体电解质，包括Na-beta-Al2O3，NASICON型氧化物固体电解质(Na3Zr2Si2PO12、Na3Sc2P3O12、Na3.2Hf2(SiO4)2.2(PO4)0.8等)以及K2Fe4O7，所述钠基/钾基液态合金为包含钠源或钾源的室温液态合金，如Li-Na、Na-K、Na-K-Ga、Na-Ga合金等，所述双功能层为固体电解质、导电剂(碳纳米管、KS-6、VGCF、EC600JD等)和催化剂(RuO2、Fe-N-C、NaIrO3、K2RuO4等)的各种组合。
所述插入式阳极集电器，为插入在液态合金中的导电金属棒等作为阳极集电器，并外接至电芯的阳极总集电处，其中，所述导电金属棒为直径约1～3mm的钛合金、不锈钢、铜、银中的一种或多种。
所述网状阴极集电器，为包裹在蛇形电芯外的网状导电金属作为阴极集电器，并外接至电芯的阴极总集电处，同时起到保护双功能层脱落的作用，其中，所述网状阴极集电器为镍网、不锈钢网、铝网、金网中的一种或多种。
所述防尘透气膜，为具有低灰尘黏附度的多孔膜，并包裹在网状阴极集电器外，其中，所述多孔膜为氟碳、氢氟碳、聚四氟乙烯中的一种或多种纺织膜，孔径为0.5～10μm。
上述一种全开放式长续航火星电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将质量比为100：0.5～2的钠/钾离子导体固态电解质粉末和低熔点含钠/钾粘结剂充分球磨混合，将混合粉末置于双层直管夹层中以250～300MPa的压力冷等静压60～120s制备蛇形电解质的直管部分，同样将混合粉末置于双层U型管夹层中以200～250MPa的压力冷等静压60～120s制备蛇形电解质的U型管部分，将获得的两种形状电解质在700～1300℃下在空气中退火6～10h，随后将烧口处打磨平整待用，其中，低熔点含钠/钾粘结剂为叔丁醇钠、氯乙酸钠、异丙醇钠、己二酸二钠、乙酸钾、氟硼酸钾、青霉素钾、碘酸钾中的一种或多种；
步骤二、将固体电解质粉末、异丙醇、甲苯和聚丙烯铵按30～40：15～20：15～20：0.5～4的质量比球磨12h，再加入一定量的粘结剂和增塑剂球磨12h获得固态电解质浆料，将步骤一获得的打磨好的直管和U型管烧口处按蛇形方式对齐连接，在接口处均匀涂抹步骤二获得固态电解质浆料，并用氢气喷火枪对接口处快速烧结，重复数次后，将获得的蛇形电解质在700～1300℃下在空气中退火10～16h，随后将接口处打磨平整待用，其中，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛、瓜儿豆胶、聚酰亚胺、环糊精、丁苯橡胶中的一种或多种，占固态电解质浆料质量比为2～5％，所述增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯、磷酸三苯酯中的一种或多种，占固态电解质浆料质量比为3～5％；
步骤三、将固体电解质粉末、导电剂和催化剂按4～6：2～4：0.5～2的质量比球磨2～6h均匀混合，将混合粉末与含PVDF的NMP溶液(PVDF为5％质量分数)按1：4～6的质量比搅拌均匀成阴极浆料，将阴极浆料均匀的涂抹在步骤二中获得的蛇形电解质外侧，随后将涂覆后的电解质转移到氩气填充的高温炉中，在500～900℃加热15min，自然降温后，采用化学气相沉积在阴极表面沉积一层光热转换材料进一步提高电池白天工作能力，得到包裹在管状固体电解质管外的全开放式气体扩散和气体反应双功能层，然后将网状集电器紧密缠绕在双功能层外部作为阴极集流体，并用分段接口引出多段阴极导线，将蛇形电解质直立并在U型管的顶部和两侧钻孔待用，其中所述光热材料为PdSe2、Co、Au薄膜、黑色二氧化钛、石墨烯气凝胶中的一种或多种；
步骤四、将两根直径为0.5～2mm的金属棒集电器由两侧钻孔插入到电芯内部，用硅橡胶密封两侧，在充氩手套箱中，将钠块、钾块和镓块按20～30：40～60：10～20的质量比置于不锈钢容器中，在室温下放置过夜，获得室温液态Na-K-Ga合金，将获得的Na-K-Ga合金由顶部钻孔处注入到蛇形电解质管内，然后用硅橡胶密封所有开孔；
步骤五、将单层多孔防尘透气膜均匀的包裹在网状阴极集电器外并热封透气膜断口，最后将多段阴极导线和阳极导线汇集到电池管理系统中，得到全开放式长续航火星电池。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过蛇形电池结构以及360°全开放式CO2反应电极设计，在最大化节省火星探测器动力单元所占空间体积的基础上，实现了能量转化活性面积的最大化，保证了火星电池高容量以及长续航能力，此外，立式蛇形电芯以及防尘透气膜，既可以保证CO2反应电极与火星气的充分接触，又可以通过低灰尘粘合能力以及重力落尘避免灰尘黏附在开放式电极的不利影响；
(2)本发明使用的钠/钾基液态合金(如Na-K-Ga)由于其流动性和存在与电解质润湿的Ga成分，可以与电解质充分接触，保证了电池优秀的界面接触，此外，钠/钾基液态合金具有低熔点(低于-20℃)，可以在火星部分低温环境保持动态润湿，即使温度进一步降低导致液态合金固化，液态合金相变产热会加热电池，另外在前期液态合金良好接触的基础上，即使固化也会与电极保持良好接触；
(3)本发明采用的固体电解质避免了传统液态电解质在低压火星环境中的渗透及泄露，此外，化学气相沉积的光热转换材料形成的等离子体阴极可以在火星白天有效吸收太阳光并将其转换为热，从而实现电解质/电极材料中的有效电荷存储和传输。
附图说明
图1为本发明火星电池示意图；
图2a为本发明管状蛇形电解质的直管示意图；
图2b为本发明管状蛇形电解质的U型管示意图；
图3为本发明连接好的管状蛇形电解质示意图；
图4为本发明在蛇形电解质外表面涂覆双功能层的示意图；
图5为本发明在图3基础上添加网状阴极集流体的示意图；
图6为本发明进一步灌注液态合金并添加阳极集流体的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例的全开放式长续航火星电池如图1所示，制备方法按照以下步骤进行：
(1)将质量比为100：1的Na3Zr2Si2PO12固态电解质粉末和异丙醇钠充分球磨混合，将混合粉末置于双层直管夹层中以280MPa的压力冷等静压90s制备蛇形电解质的直管部分，如图2a所示，同样将混合粉末置于双层U型管夹层中以220MPa的压力冷等静压90s制备蛇形电解质的U型管部分，如图2b所示，将获得的两种形状电解质在1200℃下在空气中退火8h，随后将烧口处打磨平整待用；
(2)将Na3Zr2Si2PO12固态电解质粉末、异丙醇、甲苯和聚丙烯铵按35：18：18：2的质量比球磨12h，再加入4％质量分数的聚乙烯醇缩丁醛和5％质量分数的邻苯二甲酸丁苄酯球磨12h获得固态电解质浆料，将步骤(1)获得的打磨好的直管和U型管烧口处按蛇形方式对齐连接，在接口处均匀涂抹步骤(2)获得固态电解质浆料，并用氢气喷火枪对接口处快速烧结，重复数次后，将获得的蛇形电解质在1200℃下在空气中退火12h，随后将接口处打磨平整待用，如图3所示；
(3)将Na3Zr2Si2PO12固体电解质粉末、VGCF和NaIrO3按5：3：1的质量比球磨4h均匀混合，将混合粉末与含PVDF的NMP溶液(5％PVDF质量分数的NMP溶液)按1：4的质量比搅拌均匀成阴极浆料，将阴极浆料均匀的涂抹在步骤(2)中获得的蛇形电解质外侧，随后将涂覆后的电解质转移到氩气填充的高温炉中，在700℃加热15min，自然降温后，采用化学气相沉积在阴极表面沉积一层PdSe2光热转换材料进一步提高电池白天工作能力，得到包裹在管状固体电解质管外的全开放式气体扩散和气体反应双功能层，如图4所示，然后将不锈钢网集电器紧密缠绕在双功能层外部作为阴极集流体，如图5所示，并用分段接口引出多段阴极导线，将蛇形电解质直立并在U型管的顶部和两侧钻孔待用；
(4)将两根直径为1mm的钛棒集电器由两侧钻孔插入到电芯内部，用硅橡胶密封两侧，在充氩手套箱中，将钠块、钾块和镓块按10：7：2的质量比置于不锈钢容器中，在室温下放置过夜，获得室温液态Na-K-Ga合金，将获得的Na-K-Ga合金由钻孔处注入到蛇形电解质管内，然后用硅橡胶密封所有开孔，如图6所示；
(5)将单层多孔聚四氟乙烯防尘透气膜均匀的包裹在不锈钢网状阴极集电器外并热封透气膜断口，最后将多段阴极导线和阳极导线汇集到电池管理系统中，得到全开放式长续航火星电池，如图1所示。
实施例2：
本实施例对比实施例1的区别在于使用了K离子固体导体K2Fe4O7而不是钠离子固体导体Na3Zr2Si2PO12，因此本实施里的能量转换是基于K-CO2电池，而实施例1的能量转换是基于Na-CO2电池：
(1)将质量比为100：0.8的K2Fe4O7固态电解质粉末和青霉素钾充分球磨混合，将混合粉末置于双层直管夹层中以260MPa的压力冷等静压60s制备蛇形电解质的直管部分，同样将混合粉末置于双层U型管夹层中以200MPa的压力冷等静压60s制备蛇形电解质的U型管部分，将获得的两种形状电解质在700℃下在空气中退火8h，随后将烧口处打磨平整待用；
(2)将K2Fe4O7固态电解质粉末、异丙醇、甲苯和聚丙烯铵按50：15：15：2的质量比球磨12h，再加入3.5％质量分数的聚乙烯醇缩丁醛和4％质量分数的邻苯二甲酸丁苄酯球磨12h获得固态电解质浆料，将步骤(1)获得的打磨好的直管和U型管烧口处按蛇形方式对齐连接，在接口处均匀涂抹步骤(2)获得固态电解质浆料，并用氢气喷火枪对接口处快速烧结，重复数次后，将获得的蛇形电解质在700℃下在空气中退火6h，随后将接口处打磨平整待用；
(3)将K2Fe4O7固体电解质粉末、VGCF和K2RuO4按8：3：1的质量比球磨4h均匀混合，将混合粉末与含PVDF的NMP溶液(5％PVDF质量分数的NMP溶液)按1：4的质量比搅拌均匀成阴极浆料，将阴极浆料均匀的涂抹在步骤(2)中获得的蛇形电解质外侧，随后将涂覆后的电解质转移到氩气填充的高温炉中，在500℃加热15min，自然降温后，采用化学气相沉积在阴极表面沉积一层PdSe2光热转换材料进一步提高电池白天工作能力，得到包裹在管状固体电解质管外的全开放式气体扩散和气体反应双功能层，然后将不锈钢网集电器紧密缠绕在双功能层外部作为阴极集流体，并用分段接口引出多段阴极导线，将蛇形电解质直立并在U型管的顶部和两侧钻孔待用；
(4)将两根直径为1mm的钛棒集电器由两侧钻孔插入到电芯内部，用硅橡胶密封两侧，在充氩手套箱中，将钠块、钾块和镓块按5：8：2的质量比置于不锈钢容器中，在室温下放置过夜，获得室温液态Na-K-Ga合金，将获得的Na-K-Ga合金由钻孔处注入到蛇形电解质管内，然后用硅橡胶密封所有开孔；
(5)将单层多孔聚四氟乙烯防尘透气膜均匀的包裹在不锈钢网状阴极集电器外并热封透气膜断口，最后将多段阴极导线和阳极导线汇集到电池管理系统中，得到全开放式长续航火星电池。
本发明基于固体电解质的抗形变和可密封保护敏感成分特性，设计了一种基于管状蛇形固体电解质的火星电池，液态合金的流动性增强了负极与电解质的界面润湿，此外，管状电解质允许正极双功能层以360°全方位包裹固态电解质，极大增加了电池的活性反应面积，进而提升了电池的能量密度和续航时间。多孔防尘透气膜的使用以及立式集成方式在确保双功能反应层有足够CO2含量的前提下，防止了火星沙尘暴灰尘堵塞多孔反应电极造成的电池死亡。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种全开放式长续航火星电池的制备方法，所述的一种全开放式长续航火星电池，包括立式蛇形电芯、插入式阳极集电器、网状阴极集电器和防尘透气膜；
所述立式蛇形电芯包括管状蛇形固体电解质、注入在管状固体电解质管内的钠基/钾基液态合金以及包裹在管状固体电解质管外的全开放式气体扩散和气体反应双功能层；
所述插入式阳极集电器，为插入在液态合金中的导电金属棒作为阳极集电器，并外接至电芯的阳极总集电处；
所述网状阴极集电器，为包裹在蛇形电芯外的网状导电金属作为阴极集电器，并外接至电芯的阴极总集电处；
所述防尘透气膜，为具有低灰尘黏附度的多孔膜，并包裹在网状阴极集电器外；
其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：
步骤一、将质量比为100：0.5~2的钠/钾离子导体固态电解质粉末和低熔点含钠/钾粘结剂充分球磨混合，将混合粉末置于双层直管夹层中以250~300 MPa的压力冷等静压60~120 s制备蛇形电解质的直管部分，同样将混合粉末置于双层U型管夹层中以200~250 MPa的压力冷等静压60~120 s制备蛇形电解质的U型管部分，将获得的两种形状电解质在700~1300 ℃下在空气中退火6~10 h，随后将烧口处打磨平整待用；
步骤二、将固体电解质粉末、异丙醇、甲苯和聚丙烯铵按30~40：15~20：15~20：0.5~4的质量比球磨12 h，再加入一定量的粘结剂和增塑剂球磨12 h获得固态电解质浆料，将步骤一获得的打磨好的直管和U型管烧口处按蛇形方式对齐连接，在接口处均匀涂抹步骤二获得固态电解质浆料，并用氢气喷火枪对接口处快速烧结，重复数次后，将获得的蛇形电解质在700~1300 ℃下在空气中退火10~16 h，随后将接口处打磨平整待用；
步骤三、将固体电解质粉末、导电剂和催化剂按4~6：2~4：0.5~2的质量比球磨2~6 h均匀混合，将混合粉末与含PVDF的NMP溶液按1：4~6的质量比搅拌均匀成阴极浆料，将阴极浆料均匀的涂抹在步骤二中获得的蛇形电解质外侧，随后将涂覆后的电解质转移到氩气填充的高温炉中，在500~900 ℃加热15 min，自然降温后，采用化学气相沉积在阴极表面沉积一层光热转换材料，得到包裹在管状固体电解质管外的全开放式气体扩散和气体反应双功能层，然后将网状集电器紧密缠绕在双功能层外部作为阴极集流体，并用分段接口引出多段阴极导线，将蛇形电解质直立并在U型管的顶部和两侧钻孔待用；
步骤四、将两根直径为0.5~2 mm的金属棒集电器由两侧钻孔插入到电芯内部，用硅橡胶密封两侧，在充氩手套箱中，将钠块、钾块和镓块按20~30：40~60：10~20的质量比置于不锈钢容器中，在室温下放置过夜，获得室温液态Na-K-Ga合金，将获得的Na-K-Ga合金由钻孔处注入到蛇形电解质管内，然后用硅橡胶密封所有开孔；
步骤五、将单层多孔防尘透气膜均匀的包裹在网状阴极集电器外并热封透气膜断口，最后将多段阴极导线和阳极导线汇集到电池管理系统中，得到全开放式长续航火星电池。
2.根据权利要求1所述的一种全开放式长续航火星电池的制备方法，其特征在于：步骤一中，低熔点含钠/钾粘结剂为叔丁醇钠、氯乙酸钠、异丙醇钠、己二酸二钠、乙酸钾、氟硼酸钾、青霉素钾、碘酸钾中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种全开放式长续航火星电池的制备方法，其特征在于：步骤二中，所述粘结剂为聚乙烯醇缩丁醛、瓜儿豆胶、聚酰亚胺、环糊精、丁苯橡胶中的一种或多种，占固态电解质浆料质量比为2~5%；
所述增塑剂为邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸二辛酯、癸二酸二辛酯、磷酸三苯酯中的一种或多种，占固态电解质浆料质量比为3~5%。
4.根据权利要求1所述的一种全开放式长续航火星电池的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述光热转换材料为PdSe2、Co、Au薄膜、黑色二氧化钛、石墨烯气凝胶中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种全开放式长续航火星电池的制备方法，其特征在于：所述固体电解质为能传导钠离子或钾离子的固体电解质，包括Na-beta-Al2O3、NASICON型氧化物固体电解质、K2Fe4O7；
所述液态合金为包含钠源或钾源的室温液态合金；
所述双功能层包括固体电解质、导电剂和催化剂。
6. 根据权利要求1所述的一种全开放式长续航火星电池的制备方法，其特征在于：所述导电金属棒为直径1~3 mm的钛合金、不锈钢、铜、银中的一种或多种；
所述网状阴极集电器为镍网、不锈钢网、铝网、金网中的一种或多种。
7. 根据权利要求1所述的一种全开放式长续航火星电池的制备方法，其特征在于：所述多孔膜为氟碳、氢氟碳、聚四氟乙烯中的一种或多种纺织膜，孔径为0.5~10 μm。
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