一种热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体及其应用的制作方法

本发明涉及热电池应用技术领域，具体涉及一种热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体及其应用。

背景技术：

热电池因具有使用环境温度宽、自放电小、贮存时间长、不需要维护、可大功率放电等优点，因而很受军事领域和一些特定民用领域的青睐。随着科技的不断发展和应用需求的不断拓展，对热电池的性能有了更高的要求，主要体现为传统的中短寿命热电池已无法满足未来的应用场景对热电池工作时长的要求。

由于热电池适宜的工作温度范围较窄，通常为400～550℃，低于该温度热电池将不能发挥最佳性能甚至不能正常工作，因此，高的热寿命是热电池具有长的使用寿命的必要条件，换言之，优良的保温技术是保障热电池热寿命的关键。

最常用最成熟的保温材料通常为具有多孔结构的材料，如保温棉、保温毡、泡沫材料、纳米气凝胶等，其保温原理为材料的多孔结构赋予了该类材料较低的固体导热系数，也在一定程度上抑制了气体的对流传热。短寿命热电池通常以石棉纸、纤维毡等作为保温材料，较长寿命的热电池一般则使用纳米二氧化硅气凝胶材料作为保温材料，无机纳米气凝胶材料是目前公开报道的针对热电池保温性能最好的材料，该类材料因其孔径小于气体分子运动的平均自由程，因而其保温性能通常显著优于普通的无机保温棉、保温毡等。虽然纳米气凝胶材料能较好的满足中等寿命热电池的要求，但对长寿命热电池特别是1h以上寿命的热电池而言并不理想。

针对热电池保温，除了选择传统的多孔材料外，目前出现了真空气凝胶复合保温壳体，具有比单独使用气凝胶筒更好的保温效果，但此类保温壳体的盖板区域通常为非真空设计，存在大量热量从该区域散失的现象，整体保温效果仍不理想；另外，目前的保温壳体因其气凝胶材料和真空腔体为分开设置，因而占用了很大体积，也不利于热电池在节约空间方面的发展要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体及其应用，气凝胶层起降低导热和支撑双重作用，气凝胶层与真空层在空间上合二为一的布置方式，很利于减小热电池的占用空间，以解决背景技术中提到的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体，包括电池外壳、电池内壳、反射红外辐射层、电池盖板、气凝胶保温筒和气凝胶保温块，所述电池内壳安装在所述电池外壳内部正中间，所述反射红外辐射层设于所述电池外壳的内壁及电池内壳的外壁上，所述电池外壳环绕电池内壳构成真空保温腔体，所述气凝胶保温筒嵌装于所述真空保温腔体的腔内并位于电池外壳内壁上的反射红外辐射层与电池内壳外壁上的反射红外辐射层之间；

所述电池盖板包括上层盖板和下层盖板，所述下层盖板与所述电池内壳的顶端连接，所述上层盖板通过盖板外侧圆环与所述电池外壳的顶端连接，所述气凝胶保温块设于所述上层盖板和下层盖板之间。

本发明将气凝胶保温筒布置在真空保温腔体的腔内，将二者占用的体积合二为一，大大减小了保温层的总体积，有利于节约热电池的占用空间；气凝胶保温筒和气凝胶保温块具有降低固体导热、增强保温效能、支撑电池内壳、减震和缓冲的作用；双层电池盖板实现了电池电堆上端、下端、外侧的真空全覆盖，不仅提升了保温壳体整体的保温效果，还能进一步降低电池外壳尤其是电池盖板处的表面温度。

进一步地，所述气凝胶保温筒和气凝胶保温块均由纳米二氧化硅气凝胶或纳米二氧化锆气凝胶制成。

进一步地，所述反射红外辐射层为厚度为1～100μm的薄膜层，所述薄膜层通过电镀或蒸镀附着于所述电池外壳的内壁表面及所述电池内壳的外壁表面。

上述优选方案的有益效果为：电镀或蒸镀的反射红外辐射层附着强度高，不会发生翘曲形成高导热的热桥导致保温失效。

进一步地，所述反射红外辐射层由反射材料制成，所述反射材料为铝。

上述优选方案的有益效果为：与传统的红外反射层材料金箔、银箔等贵金属材料相比，价格低廉，更易推广应用。

进一步地，所述真空保温腔体的腔体内设有吸气材料，所述吸气材料为钡铝合金、钡钛合金、锆铝合金、锆镍合金、锆石墨的任一种或其组合。

上述优选方案的有益效果为：吸气材料能吸收真空保温腔体内部的微量气体，利于热电池真空保温腔体内真空度的保持。

进一步地，所述电池外壳的底部设有排气口。

上述优选方案的有益效果为：在制造真空保温腔体时，所述排气口用来排气。

进一步地，所述电池外壳和电池内壳均由不锈钢材料或工业纯钛材料制成。

上述优选方案的有益效果为：不锈钢材料或工业纯钛材料具有较强的耐腐蚀性，还具有比其它大部分金属低的固体热导率。

进一步地，所述电池盖板还包括接线柱和玻璃封接体，所述气凝胶保温块由两个半圆单体组成，所述上层盖板、下层盖板及两个所述半圆单体上开设有通孔，所述接线柱穿设于所述通孔并通过玻璃封接体固定在所述上层盖板和下层盖板上。

上述优选方案的有益效果为：电池盖板、气凝胶保温块及接线柱之间利用玻璃封接体安装连接，能确保上层盖板和下层盖板之间的区域及电池内壳和电池外壳之间的区域均为真空区域。

一种热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体的应用，采用所述的热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体制备热电池，所述真空保温腔体设于电池电堆的上端、下端和外侧。

本发明的有益效果是：

1)本发明热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体，气凝胶保温筒是布置在真空保温腔体的腔内，即真空层与气凝胶层二者占用的体积在空间上被合二为一，因此大大减小了电池保温层的总体积，有利于大幅降低热电池整体的体积，从而有助于满足未来的应用场景对节约空间方面的要求；此外，气凝胶保温筒和气凝胶保温块不仅具有降低固体导热的作用，能大大增强保温效能，而且气凝胶材料具有一定的弹性，因此还具有支撑电池内壳、减震和缓冲的作用，这种电池内壳与电池外壳软接触的构造方式，能有效避免热电池在振动、冲击、加速度等苛刻力学环境下因局部应力过大而产生内部损伤，提高了热电池对力学环境的适应性。

2)本发明热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体，将电池盖板设计为双层结构，同时上层盖板和下层盖板之间设有气凝胶保温块，上层盖板和下层盖板之间的区域及电池内壳和电池外壳之间的区域均为真空区域，实现了电池电堆上端、下端、外侧的真空全覆盖，全覆盖式结构与非全覆盖式结构相比，通过电池盖板向外散失的热量大幅减小，这是因为传统的非全覆盖式保温结构中电池盖板是最主要的散热区域，该区域的散热量在总散热中的占比高达约75％以上，电池盖板是传统的非全覆盖式保温结构的短板，而本发明全覆盖式结构能显著降低盖板处的散热；本发明的盖板在配合气凝胶保温筒和气凝胶保温块的作用下，进一步地大幅提升了保温壳体整体的保温效果，延长了热电池的热寿命，同时还能进一步降低电池外壳尤其是电池盖板处的表面温度。

3)本发明中反射红外辐射层是采用电镀或蒸镀的方式附着于电池外壳的内壁表面和电池内壳的外壁表面，与传统的将金属箔通过点焊的方式固定于壳体表面相比，电镀或蒸镀的方式的附着强度更高，能避免红外反射层在振动、加速度、冲击等力学环境下，例如在武器系统中，因点焊强度不高而发生金属箔的翘曲或脱落，而翘曲或脱落会将电池内壳和电池外壳相搭接，形成高导热的热桥，进而导致保温失效。

4)本发明反射红外辐射层采用的是低辐射系数、高反射系数的铝，与传统的红外反射层材料金箔、银箔等贵金属材料相比，价格低廉，更易推广应用。

附图说明

图1为本发明热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体的整体结构示意图；

图2为本发明电池盖板的结构示意图；

图3为本发明气凝胶保温块的结构示意图；

图4为应用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体和单独应用气凝胶保温筒的热电池模拟电堆中心温度随时间变化曲线图；

图中，1-电池外壳，2-电池内壳，3-反射红外辐射层，4-电池盖板，401-上层盖板，402-下层盖板，403-接线柱，404-玻璃封接体，5-气凝胶保温筒，6-气凝胶保温块，601-半圆单体，7-真空保温腔体，8-盖板外侧圆环，9-吸气材料，10-排气口，11-通孔，12-电池电堆。

具体实施方式

下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付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。

参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：

请参照图1-2，一种热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体，包括电池外壳1、电池内壳2、反射红外辐射层3、电池盖板4、气凝胶保温筒5和气凝胶保温块6，所述电池内壳2安装在所述电池外壳1内部正中间，所述反射红外辐射层3设于所述电池外壳1的内壁及电池内壳2的外壁上，所述电池外壳1环绕电池内壳2构成真空保温腔体7，所述气凝胶保温筒5嵌装于所述真空保温腔体7的腔内并位于电池外壳1内壁上的反射红外辐射层3与电池内壳2外壁上的反射红外辐射层3之间；

所述电池盖板4包括上层盖板401和下层盖板402，所述下层盖板402与所述电池内壳2的顶端连接，所述上层盖板401通过盖板外侧圆环8与所述电池外壳1的顶端连接，所述气凝胶保温块6设于所述上层盖板401和下层盖板402之间。

本发明热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体，气凝胶保温筒5是布置在真空保温腔体7的腔内，即真空层与气凝胶层二者占用的体积在空间上被合二为一，因此大大减小了电池保温层的总体积，有利于大幅降低热电池整体的体积，从而有助于满足未来的应用场景对热电池在节约空间方面的要求；此外，气凝胶保温筒和气凝胶保温块不仅具有降低固体导热的作用，能大大增强保温效能，而且气凝胶材料具有一定的弹性，因此还具有支撑电池内壳、减震和缓冲的作用，这种电池内壳与电池外壳软接触的构造方式，能有效避免热电池在振动、冲击、加速度等苛刻力学环境下因局部应力过大而产生内部损伤，提高了热电池对力学环境的适应性。

本发明热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体，将电池盖板4设计为双层结构，同时上层盖板401和下层盖板402之间设有气凝胶保温块6，上层盖板401和下层盖板402之间的区域及电池内壳2和电池外壳1之间的区域均为真空区域，实现了电池电堆12上端、下端、外侧的真空全覆盖，全覆盖式结构与非全覆盖式结构相比，通过电池盖板4向外散失的热量大幅减小，这是因为传统的非全覆盖式保温结构中电池盖板是最主要的散热区域，该区域的散热量在总散热中的占比高达约75％以上，电池盖板是传统的非全覆盖式保温结构的短板，而本发明全覆盖式结构能显著降低盖板处的散热；本发明的盖板在配合气凝胶保温筒和气凝胶保温块的作用下，进一步地大幅提升了保温壳体整体的保温效果，延长了热电池的热寿命。在真空腔内嵌气凝胶的情况下，保温效果提升约28.5％，同时还能进一步降低电池外壳1尤其是电池盖板4处的表面温度，达到双重加强保温性能的作用，延长了热电池的热寿命。

优选地，所述气凝胶保温筒5和气凝胶保温块6均由纳米二氧化硅气凝胶或纳米二氧化锆气凝胶制成。

优选地，所述反射红外辐射层3为厚度为1～100μm的薄膜层，所述薄膜层通过电镀或蒸镀附着于所述电池外壳1的内壁表面及所述电池内壳2的外壁表面。

与传统的将金属箔通过点焊的方式固定于壳体表面相比，电镀或蒸镀的方式的附着强度更高，能避免红外反射层在振动、加速度、冲击等力学环境下，例如在武器系统中，因点焊强度不高而发生金属箔的翘曲或脱落，而翘曲或脱落会将电池内壳2和电池外壳1相搭接，形成高导热的热桥，进而导致保温失效。

优选地，所述反射红外辐射层3由反射材料制成，所述反射材料为铝。

本发明反射材料为铝，采用的是低辐射系数、高反射系数的铝，与传统的红外反射层材料金箔、银箔等贵金属材料相比，价格低廉，更易推广应用。

请参照图1，所述真空保温腔体7的腔体内设有吸气材料9，所述吸气材料9为钡铝合金、钡钛合金、锆铝合金、锆镍合金、锆石墨的任一种或其组合。

本发明的吸气材料9不仅能吸收壳体材料在热电池工作过程中因温度升高而放出的气体，同时还能在保温壳体贮存期间持续吸收渗透进入真空保温腔体7内部的微量气体，有利于热电池真空保温腔体7内真空度的保持，因而能使热电池具有更长的真空度保持寿命。

请参照图1，所述电池外壳1的底部设有排气口10。

在制造真空保温腔体时，所述排气口用来排气。

优选地，所述电池外壳1和电池内壳2均由不锈钢材料或工业纯钛材料制成。

所述不锈钢材料或工业纯钛材料不仅具有较强的耐腐蚀性，还具有比其它大部分金属低的固体热导率。

请参照图2和图3，所述电池盖板4还包括接线柱403和玻璃封接体404，所述气凝胶保温块6由两个半圆单体601组成，所述上层盖板401、下层盖板402及两个所述半圆单体601上开设有通孔11，所述接线柱403穿设于所述通孔11并通过玻璃封接体404固定在所述上层盖板401和下层盖板402上。

本发明的电池盖板、气凝胶保温块及接线柱之间利用玻璃封接体安装连接，能确保上层盖板和下层盖板之间的区域及电池内壳和电池外壳之间的区域均为真空区域。

一种热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体的应用，采用所述的热电池用真空腔内嵌气凝胶型保温壳体制备热电池，所述真空保温腔体7设于电池电堆12的上端、下端和外侧。

实施例1

以不锈钢304材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁电镀好反射材料铝，厚度为100μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料9钡铝合金，然后将纳米二氧化硅气凝胶保温筒5装入电池外壳1中。将装配好的电池电堆12装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，然后将气凝胶保温块6装入电池盖板4的上下层之间，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环8的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、纳米二氧化硅气凝胶保温块6、盖板外侧圆环8四部分的组合体装入气凝胶保温筒5和电池外壳1中，将盖板外侧圆环8的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体7。

实施例2

以工业纯钛材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁蒸镀好反射材料铝，厚度为50μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料9钡钛合金，然后将纳米二氧化锆气凝胶保温筒5装入电池外壳1中。将装配好的电池电堆12装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，然后将纳米二氧化锆气凝胶保温块6装入电池盖板4的上下层之间，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环8的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、气凝胶保温块6、盖板外侧圆环8四部分的组合体装入气凝胶保温筒5和电池外壳1中，将盖板外侧圆环8的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体7。

实施例3

以不锈钢304材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁电镀好反射材料铝，厚度为20μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料9锆铝合金，然后将纳米二氧化锆气凝胶保温筒5装入电池外壳1中。将装配好的电池电堆12装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，然后将纳米二氧化硅气凝胶保温块6装入电池盖板4的上下层之间，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环8的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、气凝胶保温块6、盖板外侧圆环8四部分的组合体装入气凝胶保温筒5和电池外壳1中，将盖板外侧圆环8的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体7。

实施例4

以工业纯钛材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁蒸镀好反射材料铝，厚度为5μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料9锆镍合金，然后将纳米二氧化硅气凝胶保温筒5装入电池外壳1中。将装配好的电池电堆12装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，然后将纳米二氧化锆气凝胶保温块6装入电池盖板4的上下层之间，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环8的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、气凝胶保温块6、盖板外侧圆环8四部分的组合体装入气凝胶保温筒5和电池外壳1中，将盖板外侧圆环8的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体7。

实施例5

以不锈钢304材料制作电池外壳1和电池内壳2，在电池外壳1的内壁和电池内壳2的外壁电镀好反射材料铝，厚度为1μm，在真空腔体的内部固定好吸气材料9钡铝合金和锆石墨，然后将纳米二氧化硅气凝胶保温筒5装入电池外壳1中。将装配好的电池电堆12装入电池内壳2后，盖上电池盖板4，将电池盖板4的下层盖板402与电池内壳2相焊接，然后将纳米二氧化硅气凝胶保温块6装入电池盖板4的上下层之间，接着将电池盖板4的上层盖板401与盖板外侧圆环8的内沿相焊接，然后将焊接好后的电池内壳2、电池盖板4、气凝胶保温块6、盖板外侧圆环8四部分的组合体装入气凝胶保温筒5和电池外壳1中，将盖板外侧圆环8的外沿与电池外壳1相焊接，即完成热电池的组装。最后对组装好的热电池进行真空排气和封接，形成真空保温腔体7。

实验对比：本发明用模拟电堆法对比研究了单独采用气凝胶保温材料与单独采用本发明的真空腔内嵌气凝胶型保温壳体时对热电池保温性能的影响，实验时两种保温结构的总体积相同，结果如图4所示。

以单独的气凝胶保温筒作为保温组件装配热电池模拟电堆作为对照组，测试模拟电堆中心温度随时间的变化规律，结果显示其在3600s内下降了167.3℃，整个过程中外壳高度一半处的表面温度由初始的25℃最高上升至97.5℃。

以实施例1～5的保温结构制备的真空腔内嵌气凝胶型保温壳体作为保温组件装配热电池模拟电堆为实验组，测试模拟电堆中心温度随时间的变化规律，算出各个参数的平均值，结果显示其在3600s内下降了101.5℃，下降幅度只有对照组的60.7％，说明采用本发明的真空腔内嵌气凝胶型保温壳体的电堆，其中心降温速率明显低于对照组，结果表明：在保温层总体积相同的情况下，真空腔内嵌气凝胶型保温壳体比单独的气凝胶保温筒具有更好的保温性能，能大幅延长热电池的热寿命。此外，实施例1～5的保温结构在整个测试过程中外壳高度一半处表面温度的平均值由初始的25℃最高上升至70.1℃，上升幅度只有对照组的62.2％，表明本发明的真空腔内嵌气凝胶型保温壳体能显著抑制电堆表面温度的上升。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。