現(xiàn)代電池技術(shù)：第9章 激活電池

1、第九章激活電池Activated Reserve Battery激活電池激活電池：又稱“貯備電池”，電池正負(fù)極活性物質(zhì)和電解質(zhì)在貯存期間不直接接觸(熱激活電池除外)，使用時借助動力源作用于電解質(zhì)，使電池“激活”。激活方式：氣體激活、液體激活和熱激活優(yōu)點：貯存時間長(數(shù)年或數(shù)十年)、激活時間短(0.22s)、 比能量高、比功率高、貯存期間無需保養(yǎng)常見熱激活電池：Ca-PbSO4，Mg-V2O5，Ca-CaCrO4，Li(Al)-FeS2，Li(Si)-FeS2，Li(B)-FeS2常見水激活電池：Mg-AgCl，Mg-NiOOH熱激活電池?zé)峒せ铍姵兀河蓛煞N或兩種以上的無機鹽組成低共熔體，常溫下，

2、電解質(zhì)是不導(dǎo)電的固體，電池自放電少，使用時，用電流引燃點火頭或撞擊機構(gòu)撞擊火帽，點燃電池內(nèi)部煙火熱源，使電池內(nèi)部溫度迅速上升，電解質(zhì)熔融形成高導(dǎo)電率的離子導(dǎo)體。用途：炮彈的引爆電源及導(dǎo)彈、核武器的工作電源熱電池體系 Mg | LiCl KCl | V2O5 Ca | LiCl KCl | PbSO4 Ca | LiCl KCl | CaCrO4 Ca | LiBr KBr | K2CrO4 Li(Al) | LiCl KCl | FeS2 Li(Si) | LiCl KCl | FeS2 Li(Fe) | LiCl KCl | FeS2 Li(Al) | NaAlCl4 | CuCl2 熱電池

3、技術(shù)起初是由德國的ErB博士于二次大戰(zhàn)后期發(fā)明并應(yīng)用于V2火箭上，后被美國國家標(biāo)準(zhǔn)武器發(fā)展部得到，受到了美國軍方的高度重視，最終取代引信系統(tǒng)中原來的電源系統(tǒng)。由于其突出的特點，在20世紀(jì)50年代熱電池被推廣應(yīng)用到核武器之上。50年代中期，Mg/V2O5片形熱電池的發(fā)明，是熱電池發(fā)展史上一個里程碑式的進(jìn)步，使得熱電池組裝工藝變得簡單，結(jié)構(gòu)緊湊。60年代發(fā)展起來的Ca/CaCrO4熱電池，采用先進(jìn)的片型結(jié)構(gòu)，以LiCl-KCl作電解質(zhì)，F(xiàn)e/KClO4混合物作加熱材料。該電池不但大大簡化了制備工藝，而且延長了工作壽命，提高了熱電池的總體性能，但熱電池存在的電噪聲仍未得到克服。為滿足高速發(fā)展的現(xiàn)代化

4、武器需要，七十年代發(fā)展起來的LiMx/FeS2熱電池(LiMx為鋰合金)不但克服了熱電池長期存在的電噪聲，而且比能量、比功率得到很大提高。它是一個理想的熱電池體系，是熱電池研制工作的重大技術(shù)突破，代表當(dāng)今熱電池發(fā)展潮流。熱激活電池發(fā)展簡史熱激活電池電解質(zhì)熱激活電池工作原理(-) Ca LiCl - KCl PbSO4 (+)負(fù)極反應(yīng)：Ca - 2e Ca2+正極反應(yīng)：PbSO4 + 2Li+ + 2e Li2SO4 + Pb總 反 應(yīng)：PbSO4 + 2LiCl + Ca Li2SO4 + CaCl2 + Pb副 反 應(yīng)：2LiCl + Ca 2Li + CaCl2 2Li + Ca Li2C

5、a CaCl2 + KCl CaCl2KCl副反應(yīng)產(chǎn)物L(fēng)i2Ca合金在熱電池工作溫度下為液態(tài)，會造成電池內(nèi)部瞬間短路(稱電噪聲)；復(fù)鹽CaCl2KCl熔點為575，由于復(fù)鹽的產(chǎn)生而使電解質(zhì)熔點升高到485，縮短電池的工作壽命。熱激活電池結(jié)構(gòu)負(fù)極材料 負(fù)極材料一般是金屬，對于熱激活電池，應(yīng)提高金屬的熔點，防止金屬熔化進(jìn)入電解質(zhì)形成短路。電解質(zhì)材料 熱電池電解質(zhì)應(yīng)具備以下功能：在室溫下是不導(dǎo)電的固體，熔融時導(dǎo)電；具有隔開正負(fù)極的隔膜作用；電解質(zhì)的熔點低。正極材料 正極材料一般為鹽，其導(dǎo)電性較弱，因而希望通過形成共熔物，降低其熔點，增加導(dǎo)電性。緩沖片 選擇一些具有特殊熱性能的物質(zhì)，在電池工作溫度的上

6、限時，處于熔融狀態(tài)，吸收部分熱量，在電池工作溫度下降時，凝固，放出熱量，常見有NaCl-Li2SO4體系，其熔鹽的熔點在499，熔解熱為393Jg-1熱激活電池結(jié)構(gòu)熱激活電池結(jié)構(gòu)熱激活電池結(jié)構(gòu)加熱片 一般希望加熱片的發(fā)熱量高，產(chǎn)生的氣體小，常用的是由鋯粉、BaCrO4和無機纖維組成的紙型混合物，其發(fā)熱量為1882Jg-1。保溫材料 常用的保溫材料為天然云母、無機纖維、石棉紙等。熱激活電池性能(-) Li(Al) LiCl - KCl FeS2 (+)負(fù)極反應(yīng)：Li - e Li+正極反應(yīng)：FeS2 + 4Li FeS + Li2Fe2S5 2Li + FeS + Li2Fe2S5 3Li2Fe

7、S2 6Li + 3Li2FeS2 6Li2S + 3Fe總 反 應(yīng)：4Li + FeS2 2Li2S + Fe熱激活電池性能Li(Al)-FeS2電池理論比能量638Wh/kg負(fù)極是固體，不會造成電池內(nèi)部短路在電池工作溫度范圍內(nèi)(420550)，性能穩(wěn)定FeS2在LiCl-KCl電解質(zhì)中溶解度小，自放電小，不會形成熱失控電池內(nèi)阻小，能以2A/cm2的電流密度脈沖放電使用成本低水激活電池水激活電池：以海水為電解液，或以水為溶劑，或水既作正極活性物質(zhì)又作溶劑的電池，海水或水僅在電池使用時才注入電池。用途：魚雷推進(jìn)、聲納浮標(biāo)、探空氣球、航標(biāo)燈、應(yīng)急燈等。水激活電池體系以海水為電解液的電池：Mg-A

8、gCl，Mg-Cu2Cl2，Mg-PbCl2，Mg-PbO2，Mg-CuI，Mg-CuSCN，Mg-Ag2O和中性電解液的鋁-空氣電池；以海水或水為溶劑的電池：Al-Ag2O；正極活性物質(zhì)和溶劑為海水或水的電池：Li-H2O，Na-H2O水激活電池的特點：貯存壽命長，低溫性能好，比能量、比功率較高，特別適合在有水的環(huán)境中使用。水激活電池工作原理Mg-AgCl體系： Mg + 2AgCl MgCl2 +2AgMg-Cu2Cl2體系： Mg + Cu2Cl2 MgCl2 +2CuMg-PbCl2體系： Mg + PbCl2 MgCl2 +PbMg-NiOOH體系： Mg + 2NiOOH+2H2O

9、 Mg(OH)2 +2Ni(OH)2Zn-AgCl體系： Zn+ 2AgCl ZnCl2 +2Ag上述各體系中，除Zn-AgCl外，負(fù)極上都有一個重要的副反應(yīng)：Me + mH2O Me(OH)m + m/2H2 + QMe為金屬負(fù)極，氫氣析出有利于電極表面反應(yīng)產(chǎn)物(氫氧化物)及時剝離和促進(jìn)電解液流動，放出的熱量使電池具有良好的低溫放電性能，但副反應(yīng)也造成電池的電流效率下降。水激活電池性能水激活電池用途水激活電池材料負(fù)極材料 主要負(fù)極材料有Li, Na, Mg, Al, Zn及其合金，其中Li，Na，Ca與水反應(yīng)激烈，尚未實際應(yīng)用；Mg因研制多種合金，減少了腐蝕反應(yīng)，提高了工作電壓，已得到廣泛應(yīng)

10、用；Al和Zn也有部分應(yīng)用。正極材料 正極材料主要有AgCl，Cu2Cl2和PbCl2等。 AgCl幾乎是絕緣的，一般將其浸入在加有Zn粉的還原液中，在AgCl表面還原一層Ag； Cu2Cl2正極有壓制、涂覆和吸附成型等結(jié)構(gòu)，在電池放電過程中，正極易損壞，因而一般用紙或非編織物包裹正極； PbCl2正極一般采用粘合法和熱壓法，調(diào)漿過程中一般要加入粘合劑和導(dǎo)電劑。水激活電池結(jié)構(gòu)浸沒型：電池工作時，完全浸沒在電解液中，正負(fù)極間夾一層隔離物，這類電池放電電流可達(dá)50A，放電電壓1V至幾百伏，放電時間從幾秒至幾天；浸潤型：電池貯存在密封袋中，使用時除去包裝，在水中浸泡數(shù)分鐘，以便隔膜吸蓄足夠的電解液，這類電池放電電流可達(dá)10A，產(chǎn)生1.5130V電壓，放電時間0.515h；自流型：這類電池是作為魚雷動力電源設(shè)計的，利用魚