专利名称：改进性能的热电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及热电池组的改进，更具体地说，本发明涉及利用一个附加的、可单独激活的热源来改进热电池组的工作效率。
热电池组是主要的备用电池组，它们利用一种在环境温度下为非传导的固体电解质。热电池组的特征在于具有很长的存放时间，在许多情况下长于10年，能被很快激活，并且随时间的推移其性能很少降低。一旦被激活，该电池组就能供给电能，从几秒钟到大约1小时或更长时间。在使用之前的存放过程中，热电池组不需要维护，使它可以永久放在设备中。
热电池组的特性使得它可以运用于许多方面，这种运用可以扩大到宽的环境温度范围和恶劣的动态环境。在-54℃到71℃的温度范围内存储之后，热电池组仍能可靠地工作。热电池组被激活，首先是靠激活热的供给，例如，一种可燃的焰火热源，它引起电解质的熔化，因而，激活电池组内的一个或者一个以上的电池。因为热电池组在存储过程中会承受一个宽的温度范围，所以，难以预计激活时的环境温度，并且难以预计熔化电解质以及激活电池组中的电池所需要的热量。这样，电池组的热平衡已经趋于包含一个折中方案。通常，所含的焰火热源材料在室温下将使热电池组具有良好的性能，一定量的这种材料在一个储热的电池组中将产生过高的开始温度，并且可以导致热散发(runaway)。当电池组在很低的温度下存储时，供给相同量的焰火热源材料却不能提供足够的激活热，来获得最佳的工作温度。
将多种热源用于热电池组是众所周知的。在一种构造中，电池堆包含主热源，一个辅助热源被围绕该电池堆的绝缘装置包围。来自辅助源的热降低了从电池堆内部到外部环境通过绝缘装置的温度梯度，因而降低了电池堆的冷却速率，并扩大了电池组的活性寿命。辅助热源一般是一种锆/钡铬酸盐/陶瓷纤维热纸。
在第二构造中，一种电阻加热元件或者加热丝被围绕电池堆的绝缘装置包围。供给这种加热元件的电能可以应用于使一个冷储电池组在使用之前加温。或者，热电池组可以被构造，以在热电池组放电过程中用电能供给加热元件，这样，为加热的目的，转移一部分热电池组的输出。如前面所说，来自辅助源的热降低了温度梯度，因而，降低了电池堆的冷却速率，并扩大了电池组的活性寿命。
本发明的目的是提供一种改进的热电池组，它提供的一种热激活能量的输入与该电池组的环境温度存储条件更密切相关。
本发明的另一个目的是提供一种改进的热电池组，除了一个第一焰火热源提供热能给该电池组之外，还具有一个第二独立的可激活焰火热源。
本发明又一个目的是提供一种改进的热电池组，具有一个温度传感器和热源激活装置，它将响应由传感器收集的数据，按环境存储温度条件的要求，只激活第一焰火热源，或者激活第一焰火热源和第二焰火热源。
本发明假定，在电池芯部或者邻近电池芯部测得的电池组的环境存储温度能改进对热电池组激活的控制。这种控制被实现，是由于除了第一焰火热源提供充足的能量之外，还利用第二可单独激活的焰火热源来熔化电解质，从而激活电池组的各个电池。至少，该第二焰火热源通过一个传感器和激活装置来控制。该传感器将评估芯部或者接近芯部的电池组的环境温度，并且也可以选择评估电池组箱的外部的电池组的环境温度，并确定除了第一热源之外第二热源是否必须被激活，以便使电池组箱内的电池堆达到最佳工作温度。第二焰火热源可以具有一种不同的组合物，该组合物的激活温度高于第一热源，这样，它就不会被由第一焰火热源或者其激活装置产生的热激活。或者，假如在第一和第二焰火热源之间提供充分的热绝缘，当只是一个被激活时，能防止两个都被激活，那么，各个热源可以用同样的可燃材料生产。在一种热源位于电池组箱内，另一种热源位于箱外的场合，采用后面这种焰火源的组合是有利的。最好是，第一和第二焰火热源都位于电池组箱内并紧密接近电解质，以更有效地传递热。
一种电池组，具有独立的可燃第一和第二焰火热源，其中，至少第二热源由一个传感器和激活装置控制，这种电池组能够在激活时至少部分地补偿电池组的环境温度，降低在过高环境温度时热散发和在低环境温度时无效工作的风险。
一种具有独立可燃热源的电池组的另一个优点是可选择地激活具有一个焰火热源的电解质，在电解质冷却之前允许各个电池部分放电，然后，在随后的一个时间，用第二热源再激活电解质。这种应用——特殊的布置能允许在必需时再激活。
各种其它的目的和优点将从本发明的下面描述和附图中表现出来。附图中
图1是一个电池组的平面剖视图，它采用一种可燃热源构造，其箱内装有多个电池。
图2是一个电池组的平面剖视图，它采用另一种可燃热源构造，其箱内装有多个电池。
图2a是如图2所示的装有多个电池电池组的平面剖视图，它为热纸熔线垫采用另一种支持结构。
图3是方框图，表示温度传感器元件和激活装置。
从大的方面说，本发明是关于一种热电池组，包括至少一个含有阴极、阳极和热可激活的电解质的电池，第一焰火热源，和可单独激活的第二焰火热源。最好是，至少一个电池和第一及第二焰火热源被封装在电池组箱内。在电池组箱内的热源的封装改善从第一和第二焰火热源到热可激活电解质的热传递效率。在热电池组包括多个阴极、阳极和热可激活电解质组成的电池的情况下，第一和第二焰火热源的数量可以分别不同于电池的数量。
第二焰火热源的类型和敏感性可以与第一焰火热源的类型和敏感性相同，也可以不同。在第一种情况下，热电池组必须包括充足的绝缘装置，使第一和第二焰火热源之间热绝缘，这样，第一焰火热源用的爆筒或者类似的激活装置不会同时激活第二焰火热源。一种能够创造必要的绝热环境的方法是一种焰火热源放置在电池组箱的外部，而另一种放置在它的内部。
最好是，第二种焰火热源与第一种具有不同的类型和敏感性。为那种特殊热源材料设计的爆筒对第一焰火热源的激活不足以激活第二焰火热源。第二焰火热源具有一种独立的爆筒或者类似装置，它提供必需的能量，以激活独立于第一焰火热源的第二焰火热源。正如所能推测到的那样，在两种热源没有相互隔绝的情况下，在较高的温度下激活第二焰火热源将同时激活以较低的激活温度工作的第一焰火热源。
第一焰火热源可以由一种铁粉和高氯酸钾的混合物压成片或者丸而制成，通常称作热丸。热丸通过冷压细铁粉和高氯酸钾的干混合物来制造。铁粉颗粒大小一般地是在1-10微米范围内。铁的含量超过化学计量，以保证激活之后的导电率，含量范围为80％-88％(重量)。热丸的热含量通常的范围从88％铁丸的920焦/克到80％铁丸的1590焦/克。在第二焰火热源具有一个较高的激活温度的场合，热源可以用更难以点燃的混合物来制备，例如，用钛加硼或者钛加碳化硼来制备，后一种方法描述在美国专利4,432,818中，在此可结合起来作参考。
本发明的热电池组能够用于现有技术的热电池组的任何使用环境。现有技术的热电池组响应一个控制信号，例如，来自一个远处的无线信号源的信号，响应一个监控如地震之类的环境条件的传感器，或者响应一个用于军事的点火信号，而被激活。本发明的热电池组进一步包括一个控制装置，它监控电池组芯部的温度条件和有选择地监控存储热电池组附近的环境温度条件。当电池组芯部的温度在第一温度范围内时，一般在热电池组工作温度范围(大约-54℃-71℃)的较高端，控制装置只允许第一焰火热源激活。当电池组芯部的温度在较低的第二范围内时，控制装置有选择地激活第一和第二焰火热源。热的散发在第二温度范围内在电池组芯部不会有明显的影响，并且第一和第二焰火热源的激活有利于电解质以一种方式熔化，这种方式使热电池组更有效地工作。
在图1中，热电池组2包括一个电池组箱4，其中封装分别点燃的第一和第二焰火热源，它们作为在电池组2内的元件。电池组箱能以多种形状形成，但通常是一个圆柱。在热电池组2中示出了与电解质复合材料10相邻的阴极8，电解质复合材料10又与阳极12相邻。当电池组箱4是一个圆柱时，这些元件通常是具有一个中心孔的圆盘。
第一焰火热源14和第二焰火热源16被布置成邻近由阴极8，电解质复合材料10和阳极12组成的电池，由金属电极20将它们相互分开，并与另一个堆元件分开。在图1中的重复单元“A”包括阴极8、电解质复合材料10、阳极12、第一焰火热源14和第二焰火热源16，具有所需的分隔(interspersed)金属电极20。金属电极通常用冷轧铁，不锈钢，最好是，300系列，或者钼板来制备。金属电极20被定位在电池堆中，位于热源和阳极之间，也可以选择位于热源和阴极之间。阳极一般对热敏感，金属电极20用来隔离阳极。还有，金属电极20缓和由热源产生的热。金属电极放置在热源和阴极之间是有选择的，由使用电池组的场合来确定。
热电池组2进一步包括侧壁绝缘装置24，它由外观和热绝缘性能与石棉相似的纤维陶瓷材料制成，成型为一种无纺物。代表性的材料包括Al2O3/SiO2混合物，例如，Carborundum公司制造的FIBERAX产品和Lydall公司制造的LYTHERM产品。热电池组还包括一个下端组件26、连接到激活销30上的主爆筒28、辅助爆筒32、上端组件34、绝缘装置36、与阴极8和正极销40电接触的阴极集流器38、以及与阳极2和负极销44电接触的阳极集流器42。
阴极8可以由多种材料制作，例如，铬酸钙(CaCrO4)，重铬酸钾(K2Cr2O4)，铬酸钾(KCr2O2)，铬酸铅(PbCrO4)，金属氧化物，例如，五氧化二钒(V2O5)和三氧化钨(WO3)，和硫化物，例如，硫化铜(CuS)，二硫化铁(FeS2)，和二硫化钴(CoS2)。一种优选的材料是混合有少量电解质盐混合物的二硫化铁粉末，并且，还可以加入粘合剂材料，例如，氧化锰。二硫化铁和二硫化钴因化学相容性而优先用于含锂的阳极。
阳极可以由钙金属或者锰金属制作，但是，锂金属和锂-铝或者锂-硅合金是优选的。锂-铝和锂-硅合金被加工成粉末，并冷压成片或者丸。在电池中，阳极材料用一个电极来支持，它可以是铁，不锈钢，或者类似物。锂合金阳极材料在活性电池中如固体一样起作用，这样，工作温度必须是低于合金的熔点。在锂金属用作阳极材料的场合，它的181℃的低熔点要求使用一种表面积高的金属粉末(例如铁或者镍)或者金属泡沫，它靠表面张力使熔化的锂保持固定。
电解质复合材料10可以由多种盐的组合物制成。一种组合物是45％(重量)氯化锂(LiCl)和55％(重量)氯化钾(KCl)的低共熔混合物(eutectic mixture)，其熔点为352℃，它与一种表面积很高的粘合剂材料，例如，氧化锰(MgO)或者氧化铝(Al2O3)相混合，以保持足够的粘度，限制盐混合物熔化之后的流动。其它的盐组合物包括溴化锂-溴化钾-氟化锂(熔点313℃)，氯化锂-溴化锂-溴化钾(熔点321℃)，和氯化锂-溴化锂-氟化锂(熔点430℃)。
侧壁绝缘装置24通常由陶瓷纤维制成，布置在一个挠性或者刚性的衬垫(mat)中。上端组件34和下端组件26也是由陶瓷纤维制作。这两种组件通常比侧壁绝缘装置24表现出更大的刚性，以支持电池堆。上端组件34和下端组件26可以结合铁粉-高氯酸钾热丸，这些热丸激活电池堆的端部并且供热给电池堆的端部，以保持沿电池堆为一个均匀的温度。
激活第一焰火热源14的主爆筒28是一种电爆炸装置，它具有一种优选的锆和铁的氧化物的输出混合物。辅助爆筒32通常也是一种电爆炸装置，它也具有一种优选的锆和铁的氧化物的输出混合物。这种混合物能用来点燃钛-硼丸。
在图2所示的另一种热电池组构造中，电池组的元件实质上是相同的，但是，具有下列改进。第一焰火热源14位于电池堆的相对端，以及分布于整个电池堆。图2(和下面的图2a)中的重复单元“B”包括第一焰火热源14、阴极8、电解质复合材料10和阳极12，具有所需的分隔金属电极20。第一焰火热源14由热纸熔丝串(heatpaper fuse train)46点燃，通常用焰火级(pyrotechnic grade)锆粉和铬酸钡的混合物制作，支持在一个用无机纤维，例如，陶瓷和玻璃纤维，隔开的有机纤维垫中。通过实际的任何第一点火，可以将热纸熔丝串46依次容易地点燃，包括来自一个低功率电导火索48，它由经激活销30的电流而点燃。热纸熔丝串46一般包括多个条，挂在电池堆周围的多个位置上。该多个条依次与一个热纸熔丝垫49热接触，该垫由相同的材料制作，并定位在上端组件之上电池堆的顶部。在图2中，热纸熔丝垫49搁在一个上端组件34a的顶部上，牢固地横跨在上端组件的面上，以隔开来自电导火索48的第二焰火热源。在另一个实施例中，如图2a所示，一个金属阻挡盘54定位在含有一个中心孔的上端组件34之上。热纸熔丝垫49搁在金属阻挡盘54上，与热纸熔丝串46热接触。点燃电导火索48引起热纸熔丝垫49的点火，因而热纸熔丝串46也点火。
第二焰火热源50为圆柱形，附着到一个辅助爆筒52上。在图2中由第二焰火热源50供给的热由电解质复合材料10接收，开始在电解质复合材料的内半径，然后径向朝外传递到电池组箱4。这种构造由于能够在电池堆内省去作为分离层的第二焰火热源，因而可以节省空间，但是，采用中央焰火热源50将热传递到电解质复合材料10的效率是很低的。
图3以框图形式表示与激活第一和第二焰火热源，或者单独激活第二焰火热源结合使用的一种控制装置60。控制装置60包括一个热电偶62，它依次连接到一个温度调整电路64，之后连接到硅控电阻器(SCR)锁存器66，再连接到继电器或者开关68，以控制爆筒的点火。可以看出，热电偶62在功能上可以由一个热敏电阻来取代。热电偶62最好接近电池组的芯部。也可以是，至少一个附加的热电偶位于电池组2的附近，以测量存储环境温度。也可以根据温度，用其它方式来控制爆筒点火。
热电池组2由一个输入信号来激活，在一个实施例中，它提供一个输入给控制电路60。根据接收的这个信号，控制电路60评估所存储的热电池组2的环境温度，并将这一温度与一个预定最小温度比较。这个最小温度基于多个参数中的一个或者多个来设定，这些参数包括第一焰火热源的热输出、热电池组的大小、热电池组的应用、以及其它参数。控制电路60确定只是第一焰火热源将被激活，还是第一和第二热源将被激活。根据环境温度是否在预定的最低温度之下来确定。继电器或者开关68的构成方式要保证能单独激活第一焰火热源14，或者能激活第一和第二焰火热源14和16。或者，输入信号直接地激活第一焰火热源，还用控制装置60来接收信号，并控制只对第二焰火热源16的激活。
这样，本发明的热电池组能用在现有这类电池组的使用场合，但是，其工作与存储热电池组的环境温度条件更加协调。因此，激活的热电池组在存储于热处时将对热的散发不太敏感，在低温时工作更可靠。可以看出，第一焰火热源和第二焰火热源材料的数量可以调整，以对预期的存储条件温度范围、电池组的大小、和在电池组内各个电池的大小和数量进行补偿。
这样，很明显，根据本发明，已经提供了一种改进的热电池组，完全满足上面设定的目的、目标和优点。虽然已经结合具体实施例对本发明进行了描述，但对于本领域的普通技术人员来说，很明显，根据上面的描述，许多替换、改进和改变是显而易见的。因此，这些细节可以作出改变，而不会背离本发明的总体精神或者范围。
权利要求
1.一种热电池组，包括至少一个电池，该电池包括一个阴极、阳极、和可热激活的电解质；第一焰火热源；和第二可单独激活的焰火热源。
2.根据权利要求1所述的热电池组，进一步包括一个电池组箱，用于封装所述的至少一个电池、所述的第一焰火热源、和所述的第二焰火热源。
3.根据权利要求1所述的热电池组，进一步包括一个电池组箱，用于封装所述的至少一个电池、以及所述的第一焰火热源和所述的第二焰火热源之一。
4.根据权利要求1所述的热电池组，其中，所述的第二焰火热源的类型和敏感性与所述的第一焰火热源是相同的。
5.根据权利要求1所述的热电池组，其中，所述的第二焰火热源的类型和敏感性与所述的第一焰火热源是不同的。
6.根据权利要求1所述的热电池组，其中，所述的第一焰火热源是一种铁粉和高氯酸钾的混合物。
7.根据权利要求1所述的热电池组，其中，所述的第二焰火热源是一种钛和硼的混合物。
8.根据权利要求1所述的热电池组，进一步包括一个控制装置，用于有选择地激活所述的第一和第二焰火热源。
9.根据权利要求1所述的热电池组，进一步包括一个控制装置，用于有选择地激活所述的第一和第二焰火热源之一。
10.一种热电池组，包括至少一个电池，该电池包括一个阴极、阳极、和可热激活的电解质；第一焰火热源；第二可单独激活的焰火热源；和控制装置，它监控热电池组存储温度，并且当所述的存储温度在第一范围内时，激活所述的第一焰火热源，以及当所述的存储温度在第二范围内时，激活所述的第一和第二焰火热源。
11.一种供热给一个热电池组，以激活在热电池组中的电解质的方法，包括响应一个引起所述的热电池组工作的信号，激活一个与所述的热电池组热接触的第一焰火热源；测量所述的热电池组的存储环境温度；将所述的温度与一个预定最小温度进行比较；以及当所述的温度小于所述的预定最小温度时，激活与所述热电池组热接触的第二焰火热源。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述的温度在所述的热电池组的芯部被测量。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述温度在邻近所述的热电池组的芯部被测量。
全文摘要
一种改进的热电池组,具有改进的工作效率。该热电池组使用了第一可激活热源和第二可单独激活的热源。第二热源在存储环境条件下,例如,在低温下,有选择地被激活,因而,使电池组的工作效率得到改善。
文档编号H01M6/20GK1348227SQ0111596
公开日2002年5月8日 申请日期2001年6月5日 优先权日2000年6月5日
发明者理查德·D·斯潘塞 申请人:伊格尔－皮彻技术有限责任公司