《高比能量熱電池之單體電池》是上海空間電源研究所於2011年6月30日申請的專利，該專利的申請號為2011101823002，公布號為CN102856565A，授權公布日為2013年1月2日，發明人是黃海燕、高俊麗、鄭要武、胡華榮、遲亮、張麗平。該發明屬於熱電池技術領域，涉及75瓦時/千克高比能量熱電池之單體電池的關鍵設計技術。
該發明主要公開：①在單體電池的熱平衡設計中，加熱粉在整個單體電池中最佳重量含量約為30％～39％，如果加熱粉在整個單體電池中重量含量超過40％，熱電池將存在安全隱患；②在Li（Si）/LiCl-LiBr-LiF/CoS2電化學體系熱電池單體電池的匹配性設計中，LiSi負極與CoS2正極的最佳重量比約為1∶2.5～1∶3.5；③通過在負極材料中增加2％～10％的LiCl-LiBr-LiF三元全鋰電解質，增加其導電性能，提高負極活性物質的利用率；④在單體電池的設計中通過在正極片與加熱片之間增加導電性能優良的石墨隔離材料，以減少加熱片對正極材料的熱衝擊，提高了正極活性物質的利用率。
2017年12月11日《高比能量熱電池之單體電池》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
基本介紹
- 中文名：高比能量熱電池之單體電池
- 申請公布號：CN102856565A
- 申請公布日：2013年1月2日
- 申請號：2011101823002
- 申請日：2011年6月30日
- 申請人：上海空間電源研究所
- 地址：上海市徐匯區蒼梧路388號
- 發明人：黃海燕、高俊麗、鄭要武、胡華榮、遲亮、張麗平
- Int. Cl.：H01M6/36(2006.01)I、H01M4/62(2006.01)I
- 專利代理機構：上海航天局專利中心
- 代理人：鄭丹力
- 類別：發明專利
背景技術,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
背景技術
隨著世界格局的變化和科學技術的飛速發展，國際上新一代先進的武器裝備層出不窮，如具有中遠程打擊能力的戰術、戰略飛彈系統，這也對飛彈用熱電池提出了更高的要求。高比能量熱電池成為未來主要的發展方向。熱電池的發展國外稍快於中國，使用LiB/CoS2電化學體系的熱電池其比能量達到120瓦時/千克，但是未進入工程套用階段。中國已有報導使用LiB/NiCl2電化學體系的熱電池其比能量達到84瓦時/千克（見郭永全等《以氯化鎳作正極材料的熱電池研究，《電源技術》2010年02期》）。但是使用LiSi/CoS2電化學體系的熱電池其比能量小於等於60瓦時/千克，工作時間小於10分鐘。
比能量是評價熱電池綜合性能的關鍵技術指標之一，提高熱電池比能量的途徑主要有：一是提高單體電池的比能量，二是輕型熱電池結構的研究。
發明內容
專利目的
《高比能量熱電池之單體電池》的目的在於開發一種75瓦時/千克高比能量熱電池之單體電池的關鍵設計技術，為飛彈武器系統提供長壽命、高比能量的熱電池。
技術方案
《高比能量熱電池之單體電池》在於熱電池使用常規的Li（Si）/LiCl-LiBr-LiF/CoS2電化學體系，通過新型單體電池的結構設計、增加活性物質的利用率、降低熱電池的內阻等關鍵技術上取得突破，實現熱電池的重量比能量不小於75瓦時/千克。該發明主要包括單體電池自身的熱平衡值設計、單體電池的正負極配比設計、負極添加劑設計和單體電池的結構設計。
單體電池自身的熱平衡值設計是通過調節單體電池中加熱粉的重量來實現，加熱粉的重量含量為30％～39％，當加熱粉重量含量小於等於30％時，正、負極活性物質的利用率低，放電時間短；當加熱粉重量含量大於等於40％時，熱電池內部的熱失控，存在安全隱患；優選30％～39％，在保證熱電池安全可靠工作的同時正、負極活性物質的利用率達到最高。
單體電池的正負極配比設計是通過調節單體電池中正、負極活性物質的重量配比來實現，通過正交試驗正、負極活性物質的重量配比為2∶1～4∶1，優選2.5∶1～3.5∶1，其活性物質的利用率最高，放電容量最大。
在負極LiSi合金中添加導電添加劑是通過在負極粉的製備過程中添加電解質來增加其導電性能。文獻資料顯示以50毫安/立方厘米的電流密度進行恆流放電，加入10％～15％的添加劑的放電性能較為理想。在該發明中，設計的理論電流密度為170毫安/立方厘米，通過2％～15％添加劑的電性能數據比較，當添加劑大於10％時，在保證電池安全的前提下電池內阻降低主要體現在放電初期，但是不能承受放電後期的大電流放電；如果不加添加劑或添加劑太少，內阻降低不明顯，在放電初期有明顯的電壓波谷。通過多次試驗，加入2％～10％的添加劑，其放電性能較為理想。
改善效果
在傳統單體電池製備過程中，依次疊加加熱粉、正極粉、隔離粉和負極粉，然後通過壓制而成。這種製備過程的負面影響有：單體製備時，加熱粉和正極活性物質部分摻雜，加熱瞬間，部分正極活性物質受熱發生分解，造成正極活性物質利用率降低，從而制約高比能量熱電池的發展。通過在正極片與加熱片之間增加導電性能優良的石墨隔離材料，以減少加熱片對正極材料的熱衝擊，提高了正極活性物質的利用率。
附圖說明
附圖1為《高比能量熱電池之單體電池》具有高比能量的不同熱比熱電池放電過程電池殼體表面溫度隨時間變化的對比圖。
附圖2為單體電池的負極添加劑為0％的放電曲線。
附圖3為《高比能量熱電池之單體電池》具有75瓦時/千克高比能量熱電池放電曲線圖。
權利要求
一種套用於飛彈武器系統中的75瓦時/千克高比能量熱電池之單體電池，其特徵在於，單體電池自身的熱平衡設計、單體電池的正負極配比設計、單體電池的結構設計和在負極中增加添加劑的設計。
所述的單體電池自身的熱平衡設計，單體電池中加熱粉的重量含量為39％。
所述的單體電池的正負極配比設計，LiSi負極與CoS2正極的最佳重量比為1∶3。
在負極中增加添加劑的設計，在負極材料中增加2％的LiCl-LiBr-LiF三元全鋰電解質。
所述的單體電池的結構設計，在正極片與加熱片之間增加導電性能優良的石墨隔離材料。
實施方式
下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述《高比能量熱電池之單體電池》。這些實施例應理解為僅用於說明該發明而不用於限制該發明的保護範圍。在閱讀了該發明記載的內容之後，該領域技術人員可以對該發明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入該發明權利要求所限定的範圍。
該發明優選實施例：
單體電池設計：使用Li（Si）/LiCl-LiBr-LiF/CoS2電化學體系，加熱粉在整個單體電池中的含量約為39％，LiSi負極與CoS2正極的重量比為1∶3，在LiSi負極增加10％的LiCl-LiBr-LiF三元全鋰電解質，在正極片與加熱片之間增加石墨隔離材料。
將優選實施例中的單體電池進行串並聯組合，生產二隻熱電池，其外形尺寸為Φ86毫米×198毫米；按下述條件進行放電。
輸出電壓：58伏特±8伏特，輸出電流：12安培，使用溫度範圍：-45攝氏度～+60攝氏度。
放電結果見下表1：
放電條件 | 放電電流 （安培） | 峰值電壓 （伏特） | 截止電壓 （伏特） | 激活時間 （秒） | 工作時間 （秒） | 重量比能量 （瓦時/千克） | 電池外形尺寸 |
-45攝氏度貯存6小時 | 12 | 61.05 | 50 | 0.89 | 924 | 76.7 | Φ86×198（不包括接線柱） |
60攝氏度貯存6小時 | 12 | 64.9 | 50 | 0.44 | 910 | 75.5 |
榮譽表彰
2017年12月11日《高比能量熱電池之單體電池》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
