一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池的制作方法

本发明涉及热电池领域，尤其涉及一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池。

背景技术

在20世纪60年代，美国unidynamics公司与sandia国家实验室共同努力开发出了片型热电池技术，该技术通过粉末冷压的方式来获得热电池极片。片型技术也在热电池的加热源中得以应用，发展了新的基于铁与高氯酸钾的片型加热源。这种材料在点火后仍能保持尺寸的不变，产生气体量小，而且比锆/铬酸钡热纸更安全。另外，可以很容易的通过调控铁与高氯酸钾的比例来控制热量的输出，且由于加热片中铁粉过量，所以加热片还有充当电子导体的作用。sandia国家实验室发展的全片型热电池在当时对提高热电池技术而言是个巨大的飞跃。至今整个热电池的装配依旧是由加热系统→集流体→正极材料→隔膜材料→负极材料→集流体→加热系统的方式叠加，串联方式依次堆叠，并联方式则反向堆叠，集流体→正极材料→隔膜材料→负极材料→集流体组成电极材料，如图5，但不论串联还是并联，加热系统始终与电极系统为一体，该方式已使用半个多世纪没有改变。为了降低热电池高度，专利us8313853b2中记载了一种使用带式浇注技术制备的陶瓷隔膜，使用该技术可以很大程度上降低热电池中隔膜的厚度，并不能明显降低热电池高度，不能适应热电池薄型化的发展趋势。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池，以解决现有技术热电池高度过高，不能适应热电池薄型化的发展趋势的问题。

本发明的技术方案是：一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池，包括电极系统和加热系统，加热系统由导热绝缘层包裹，加热系统从四周给电极系统供热。

所述电极系统的制备方法为压制法或热喷涂法。

所述压制法的过程是将正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体分别以冷压方式压制成片，再按正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体的上下顺序依次堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述热喷涂法的过程是将负极材料压成片，将正极材料喷涂在集流体一面上，再将隔膜材料喷涂在正极材料上，最后负极材料片置于隔膜材料下堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述正极材料的活性材料为合金化合物fexco1-xs2、fexni1-xs2、coxni1-xs2或fexcoyni1-x-ys2中的一种，0＜x＜1，0＜x+y＜1，并且为纯净物。

所述电极系统的形状为实心柱形或空心柱形。

所述导热绝缘层的材料采用导热率为32-400w/(m·k)，电阻率大于10¹⁵ω·cm，熔点在1200℃以上的材料，为氧化铍、氧化铝、氮化铝、氮化硼或氮化硅的一种或几种组成的复合材料。

所述集流体的材料为石墨、不锈钢、金属镍及其合金或金属铜及其合金。

本发明的有益效果是：通过将热电池的电极系统和加热系统用导热绝缘层隔开，将现有技术的上下加热方式改为四周环绕加热方式，显著降低热电池的高度，同时采用具有更高比能量的合金化合物作为正极材料的活性材料，正极材料的活性材料比传统热电池硫化物正极材料(fes2、cos2、nis2)比能量更高，减少正极粉料用量，在相同压片密度下降低正极片厚度，进一步降低热电池高度。另外，由于电池加热系统和电极系统的分离，使得原有热电池中激活加热片瞬间对正极材料带来的热冲击影响大幅降低，在提高了电池电极材料的利用率和安全性的同时，也拓宽了热电池加热材料用量的使用范围，同时，由于导热绝缘层采用导热率为32-400w/(m·k)，电阻率大于10¹⁵ω·cm，熔点在1200℃以上的材料良好的绝缘性，也解决了由诸多单体电池串联带来的高电压安全问题。

附图说明

图1为本发明“实施例1”的主视剖面结构示意图；

图2为本发明“实施例1”的俯视剖面结构示意图；

图3为本发明“实施例2”和“实施例3”的主视剖面结构示意图；

图4为本发明“实施例2”和“实施例3”的俯视剖面结构示意图；

图5为现有技术热电池的装配结构图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对发明进行进一步介绍：

实施例1

参考图1-2，本发明一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池，加热系统由导热绝缘层包裹，加热系统从四周给电极系统供热，加热系统由锆和铬酸钡的混合物及电点火头组成引燃系统，同时，由铁与高氯酸钾混合物组成燃烧系统，填充在导热绝缘层内。

所述电极系统的制备方法为压制法或热喷涂法。

所述压制法的过程是将正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体分别以冷压方式压制成片，再按正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体的上下顺序依次堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述热喷涂法的过程是将负极材料压成片，将正极材料喷涂在集流体一面上，再将隔膜材料喷涂在正极材料上，最后负极材料片置于隔膜材料下堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述正极材料的活性材料为合金化合物fexco1-xs2、fexni1-xs2、coxni1-xs2或fexcoyni1-x-ys2中的一种，0＜x＜1，0＜x+y＜1，正极材料的活性材料比传统热电池硫化物正极材料(fes2、cos2、nis2)比能量更高，减少正极粉料用量，在相同压片密度下降低正极片厚度，从而进一步降低热电池高度。本实施例选用的是fexco1-xs2。

隔膜材料为氧化镁和氯化锂-氯化钾-溴化锂共晶熔盐，负极材料为锂硼合金片，集流体为金属镍片，用热喷涂法制成厚度为0.6～0.7mm的单体电池结构，将两组122个单体电池依次串联堆叠再并联连接，单组串联高度为80.5mm，制成总高度为161.2mm的电极系统，所述电极系统的形状为空心柱形，将热导率为33w/(m·k)，电阻率大于10¹⁶ω·cm的氮化硼陶瓷做的导热绝缘管置于电极系统的空心中，加热材料填充在导热绝缘管内，再在电极系统外层紧裹一层3mm厚度的气凝胶构成保温层，即热电池装备完毕，将热电池装入190mm高度的钛合金筒体中，在+60℃下贮存6h后激活放电，激活时间0.35s，峰值电压为256.2v，在250a脉冲电流下，第45s的脉冲电压为164.7v。

实施例2

参考图3-4，本发明一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池，加热系统由导热绝缘层包裹，加热系统从四周给电极系统供热，加热系统由锆和铬酸钡的混合物及电点火头组成引燃系统，同时，由铁与高氯酸钾混合物组成燃烧系统，填充在导热绝缘层内。

所述电极系统的制备方法为压制法或热喷涂法。

所述压制法的过程是将正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体分别以冷压方式压制成片，再按正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体的上下顺序依次堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述热喷涂法的过程是将负极材料压成片，将正极材料喷涂在集流体一面上，再将隔膜材料喷涂在正极材料上，最后负极材料片置于隔膜材料下堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述正极材料的活性材料为合金化合物fexco1-xs2、fexni1-xs2、coxni1-xs2或fexcoyni1-x-ys2中的一种，0＜x＜1，0＜x+y＜1，正极材料的活性材料比传统热电池硫化物正极材料(fes2、cos2、nis2)比能量更高，减少正极粉料用量，在相同压片密度下降低正极片厚度，从而进一步降低热电池高度。本实施例选用的是fexni1-xs2。

隔膜材料为氧化镁和氯化锂-氯化钾-溴化锂共晶熔盐，负极材料为锂硼合金片，集流体为不锈钢片，用压制法制成厚度为1.0～1.1mm，将146个单体电池依次串联堆叠，制成总高度为157.8mm的电极系统，所述电极系统的形状为实心柱形，电极材料置于一根热导率为196.2w/(m·k)，电阻率大于10¹⁵ω·cm的氧化铍陶瓷的导热绝缘圆管中，另套上另一根比前述导热绝缘圆管直径大10mm的氧化铍陶瓷的导热绝缘圆管，加热材料填充在两个导热绝缘圆管内，再在导热绝缘管外层紧裹一层3mm厚度的气凝胶构成保温层，即热电池装备完毕，将热电池装入190mm高度的钛合金筒体中，在+60℃下贮存6h后激活放电，激活时间0.95s，峰值电压为298.3v，在250a脉冲电流下，第45s的脉冲电压为153.6v。

实施例3

参考图3-4，本发明一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池，加热系统由导热绝缘层包裹，加热系统从四周给电极系统供热，加热系统由锆和铬酸钡的混合物及电点火头组成引燃系统，同时，由铁与高氯酸钾混合物组成燃烧系统，填充在导热绝缘层内。

所述电极系统的制备方法为压制法或热喷涂法。

所述压制法的过程是将正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体分别以冷压方式压制成片，再按正极材料、隔膜材料、负极材料和集流体的上下顺序依次堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述热喷涂法的过程是将负极材料压成片，将正极材料喷涂在集流体一面上，再将隔膜材料喷涂在正极材料上，最后负极材料片置于隔膜材料下堆叠形成一个单体电池结构，单体电池结构堆叠形成电极系统。

所述正极材料的活性材料为合金化合物fexco1-xs2、fexni1-xs2、coxni1-xs2或fexcoyni1-x-ys2中的一种，0＜x＜1，0＜x+y＜1，正极材料的活性材料比传统热电池硫化物正极材料(fes2、cos2、nis2)比能量更高，减少正极粉料用量，在相同压片密度下降低正极片厚度，从而进一步降低热电池高度。本实施例选用的是coxni1-xs2。

隔膜材料为氧化镁和氯化锂-氯化钾-溴化锂共晶熔盐，负极材料为锂硼合金片，集流体为不锈钢片，用压制法制成厚度为1.0～1.1mm，将146个单体电池依次串联堆叠，制成总高度为161.2mm的电极系统，所述电极系统的形状为实心柱形，电极材料置于一根热导率为98.3w/(m·k)，电阻率大于10¹⁵ω·cm的氮化硅陶瓷的导热绝缘圆管中，另套上另一根比前述导热绝缘圆管直径大10mm的氧化铍陶瓷的导热绝缘圆管，加热材料填充在两个导热绝缘圆管内，再在导热绝缘管外层紧裹一层3mm厚度的气凝胶构成保温层，即热电池装备完毕，将热电池装入190mm高度的钛合金筒体中，在+60℃下贮存6h后激活放电，激活时间0.71s，峰值电压为294.3v，在250a脉冲电流下，第45s的脉冲电压为160.1v。