高電位熱電池正極材料的研究進展

楊光明

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

高電位熱電池正極材料的研究進展

楊光明

(中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384)

FeS2和CoS2是目前應用最廣泛的熱電池正極材料，當與鋰合金負極材料一起使用時，單體電池的工作電壓約為2 V。而高電位正極材料具有較高的電極電位，可使單體電池工作電壓提高至3 V，有利于電池大功率輸出。闡述了幾種熱電池高電位正極材料的應用和研究現狀，介紹了它們的放電性能，展望了熱電池高電位正極材料的發展方向。

熱電池；高電位；正極材料

熱電池由于具有高比能量、高比功率、激活時間短、自放電小，貯存壽命長、工作溫度范圍寬、能承受苛刻環境力學環境、免維護等諸多優點，廣泛應用于各種導彈、火炮等武器系統中。熱電池一般由正極、電解質、負極及加熱源等組成。在常溫狀態下，電解質是無離子活度的固態，不會發生電化學反應，幾乎無自放電。使用時，通過自身的加熱源使熱電池內部溫度升高，固態電解質熔融形成離子導體，正負極發生電化學反應，向負載輸出電能[1]。

隨著武器系統的更新換代，發展趨于小型化和微型化，這對作為主要供電設備的熱電池提出了更高的要求，即要求熱電池具備瞬時大功率輸出能力。目前，FeS2、CoS2是應用最廣泛的熱電池正極材料，與鋰合金負極材料相匹配，技術較為成熟。但FeS2材料高溫易分解(540℃開始分解)，這會造成很大的容量損失，并且電導率較低，大電流放電極化較嚴重。CoS2電導率較高，化學穩定性好，熱分解溫度高(640℃)，大電流放電、開路擱置等性能明顯優于FeS2體系[2]。但是兩者單體電池的工作電壓均在2 V以下，大功率輸出會受到很大限制，不利于小型化、微型化熱電池的發展。而高電位正極材料可提供更高的電極電位，在相同的電流下能夠提供更高的功率。本文介紹了熱電池高電位正極材料的應用和研究現狀，介紹了幾種高電位正極材料的性能，并對其未來發展方向進行了展望。

1 高電位正極材料

1.1 CaCrO4

20世紀60年代研制出的片型Ca/CaCrO4體系的熱電池，最常用的電解質是LiCl-KCl低共熔共晶鹽。正極材料CaCrO4中Cr的化學價為+6，具有較強的氧化性。該體系的單體電池開路電壓可達到3 V，工作峰壓在90 mA/cm2電流密度下為2.7 V左右，屬于高電位正極材料。

在電池激活時，Ca與電解質在緊貼陽極表面首先反應生成KCaCl3復鹽膜，形成隔離層，即使CaCrO4溶于LiCl-KCl熔融鹽，也不會與Ca負極直接接觸造成短路。但是這層惰性復鹽膜的電阻較大，隨著反應的進行，電池內阻增加，電池極化增大，工作電壓下降較快。另外該體系熱電池內部反應復雜，除了生成易流動的Li-Ca合金外，還生成一系列中間產物，并且與不銹鋼集流體發生化學反應，嚴重影響電池的性能[3]。

1.2 釩氧化物

釩氧化物主要包括V2O5、V6O13等。

V2O5是較理想的熱電池正極材料，具有較高的電位，相對Li可實現3 V電壓。但由于V2O5在LiCl-KCl電解質中有較高的溶解度并發生反應，造成熱電池過早失效。為了解決這個問題，人們對氧化釩進行了鋰化，鋰化氧化釩不僅具有高電位優勢，而且化學穩定性好，不與鹵化物電解質發生化學反應。

Clark[4]用溴化鋰對VO5、VO2進行鋰化處理，制得鋰化氧化釩LVO，LVO的電極電位很高，相對鋰為2.8 V。若把它與一定比例的FeS2混合作為陰極，除保持原有的優點外，還可顯著提高熱電池的后期放電效果。

劉效疆等[5]采用溴化鋰對 V6O13進行鋰化處理，制得γ-LiV2O5，該材料具有較高的熱穩定性和較高的電極電位。在γ-LiV2O5中添加一定比例的電解質，可增加材料的導電性，其放電峰壓可達到2.6 V，并在2.4 V以上的電壓平臺穩定工作，持續工作時間可達20 min以上。

李志友等[6]采用溶膠-凝膠法合成了鋰嵌入式LiV3O8，這種物質具有良好的結構穩定性及高容量。采用LiV3O8與LiB合金配對，其放電峰壓為3 V，雖然相比V2O5放電電壓有所下降，但其放電趨于平緩，在200 mA/cm2可保持2.4 V左右的電壓平臺。

1.3 二氧化錳

MnO2以其資源豐富、成本低，安全性、無污染等優點而備受關注。MnO2相對Li合金可提供3 V以上的工作電壓，其電化學反應過程中隨著相變會出現多個放電平臺[7]，高電壓主要集中在前兩個放電平臺，反應機理如下：

第一放電平臺：2 MnO2+0.8 Li→Li0.8Mn2O4

第二放電平臺：Li0.8Mn2O4+1.2 Li→Li2Mn2O4

但MnO2材料本身熱穩定性差，高溫下易脫氧，需控制工作溫度。

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Yongqiang Niu等[8]以MnO2為正極材料，選用低溫LiNO3-KNO3為電解質，Li-Mg-B合金為負極進行電性能研究。當工作溫度在150～300℃范圍內時，其開路電壓達到3.1～3.4 V，在10 mA/cm2下其工作電壓為2.9 V，放電曲線如圖1所示。在20 mA/cm2下其工作電壓為2.7 V左右，放電曲線如圖2所示。

圖1 10 mA/cm2不同溫度下MnO2放電性能

圖2 20 mA/cm2不同溫度下MnO2放電性能

GUIDOTTI[9]以MnO2為正極材料，CsBr-LiBr-KBr為電解質，LiSi合金為負極進行電性能研究。在250℃環境中其開路電壓達到了3.1 V，在15.8 mA/cm2下可在2.5 V電壓平臺上正常工作。工作溫度升高到300℃后，MnO2的高電壓平臺容量有所延長。當工作電流密度增大到31.6 mA/cm2時，其放電平臺仍能保持在2.5 V以上。

1.4 氯化鎳

20世紀80年代，俄羅斯首先將氯化鎳作為熱電池正極材料加以應用。氯化鎳與Li合金匹配可獲得很高的工作電壓，其理論電動勢可達2.64 V，是一種高電位的正極材料，同時也可大電流密度放電。

龔英韜等[10]通過比較NiCl2陰極和FeS2陰極的放電性能后發現，NiCl2體系比FeS2體系高出0.3 V左右，其以1 A/cm2的電流密度放電時，工作電壓維持在2 V。

郭永全等[11]發現，與真空烘干的NiCl2材料相比，進行高溫處理的NiCl2材料結晶狀態良好，晶體呈層狀有序結構，其比表面積減小，密度增大，水分含量降低，導熱系數增大，電阻率減小。用高溫處理的NiCl2材料制備的熱電池比真空烘干的NiCl2材料制備的熱電池在放電后期有更低的內阻，放電電壓平臺更高，放電時間更長，其放電曲線見圖3。

圖3 高溫處理NiCl2制備的熱電池與真空烘干NiCl2制備的熱電池放電曲線對比

郭永全等[12]分別采用NiCl2和CoS2為正極材料，LiB為負極，三元全鋰鹽為電解質制備實驗電池，比較其放電性能，發現NiCl2電池雖然工作時間不及CoS2電池長，但它的工作電壓比CoS2電池高25%，因此質量比能量反而更高，其放電結果見表1。

表1 不同正極材料電池放電結果

薛海軍等[14]為了提高NiCl2材料的導電性，在NiCl2中同時加入20%羰基鎳粉和10%的LiF-LiCl-LiBr三元電解質，發現與未添加羰基鎳粉和三元電解質的NiCl2材料相比，用前者制備的熱電池的放電曲線衰降速度較慢，曲線平滑。通過對比NiCl2單體電池和FeS2單體電池的放電曲線，發現當電流密度為300 mA/cm2時，NiCl2單體電池電壓為2.3 V，比FeS2高出0.2 V，當電流密度增大到3 A/cm2時，NiCl2單體電池電壓比FeS2的高出0.4 V左右。表明NiCl2具有較高的電壓，且大電流放電能力優于FeS2。

1.5 釩酸銅

釩酸銅 (CVO，包括CuV2O6、Cu2V2O7、Cu3V2O8、Cu5V2O10等)材料化學性質穩定，不會被氧化，難以分解，具有良好的熱穩定性和導熱性，其電極電位較高，具有高的比容量和比能量，且價格便宜，因此被廣泛研究。

在放電過程中，CVO反應電對為Cu2+→Cu1+、V5+→V4+。放電初期進行的是Cu2+→Cu1+，中期為Cu2+→Cu1+、V5+→V4+同時進行，放電后期只有V5+→V4+。

閆妍等[15]采用固相法，以CuO和V2O5為原料，按照摩爾比1∶1進行混合，合成了CuV2O6，合成的材料純度很高，材料的相變溫度在657℃左右，穩定性很高。隨后將材料制備成單體熱電池進行電性能測試，集流體采用Cu箔，電解質采用四元LiPO3-Li2SO4-Li2CO3-LiF，負極采用LiSi合金，與FeS2單體電池的放電曲線進行對比，發現在放電電流密度為20 mA/cm2時，CuV2O6放電電壓平臺明顯高于FeS2，CuV2O6放電峰值電壓達到了2.79 V，比FeS2放電峰值電壓高0.8 V，并且CuV2O6沒有放電尖峰，放電電壓精度高，其放電曲線見圖4。

駱柬氽等[16]采用固相法，以CuO和V2O5粉末為原料，按照摩爾比3∶1合成了Cu3V2O8，合成的材料純度很高。以Cu3V2O8為正極，四元LiPO3-Li2SO4-Li2CO3-LiF為電解質，LiSi合金為負極組裝成單體熱電池，進行放電測試，發現材料粒度不同所表現出的放電性能也不同，粒度越小材料放電電壓越高，比能量越高。以100 mA/cm2電流密度放電時，粒度為3 μm的Cu3V2O8比40 μm的Cu3V2O8峰壓高0.2 V，達到了2.69 V，兩者的放電平臺均在2.4 V左右，其放電曲線見圖5所示。在Cu3V2O8材料中添加一定比例的電解質后，Cu3V2O8峰值電壓提高到2.77 V，容量也有了一定提高，電壓曲線趨于平緩，其放電曲線如圖6所示。當Cu3V2O8分別以50、100和200 mA/cm2的電流密度放電時，其單體電壓分別為2.916、2.773和2.634 V，說明Cu3V2O8材料在大電流密度下性能雖然有所下降，但與FeS2和CoS2相比，其電位仍然高0.6 V以上，其放電曲線見圖7。

圖4 以CuV2O6和FeS2為正極的單體熱電池放電曲線

圖5 不同平均粒度的Cu3V2O8在100 mA/cm2恒流放電性能

圖6 摻雜不同含量電解質的Cu3V2O8在100 mA/cm2恒流放電性能

圖7 不同電流密度對Cu3V2O8放電性能的影響

Tomer Hillel等[17]采用固相法以 CuO、V2O5為原料合成了α-CuV2O6、α-Cu2V2O7、α-Cu3V2O8和Cu5V2O10。以CuV2O6、Cu2V2O7為正極，二元KCl-LiCl為電解質，LiAl合金為負極組裝成單體電池，在525℃下進行放電測試，發現以100 mA/g電流密度放電時，CuV2O6、Cu2V2O7空載峰值電壓均達到了3.5 V，且在3 V以上電壓平臺上CuV2O6比Cu2V2O7具有更高容量。在電流密度增大到310 mA/g時，工作電壓有所下降，穩態峰值電壓下降到3 V左右，并在2.4 V出現第二電壓平臺，在此平臺上Cu2V2O7比CuV2O6持續時間更長，其放電曲線見圖8。

圖8 525℃下CuV2O6和Cu2V2O7在100和310 mA/g時的放電曲線

2 展望

隨著武器系統戰技指標的不斷提高，對熱電池提出越來越高的性能要求。開發高比能量、高比功率、微型化彈上電源是當務之急。因此需要開發比現有正極材料FeS2和CoS2電位更高的正極材料來減小電堆高度，提高單體電池的比功率，進而滿足電池大功率小型化發展的需要。目前的高電位正極材料在實際應用中仍然存在一些問題，需要對現有的高電位正極材料進行改性或開發新體系的高電位正極材料，從而推動熱電池的發展。

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Research progress of high potential cathode materials for thermal batteries

YANG Guang-ming
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

FeS2and CoS2are widely employed as the cathode materials of thermal batteries. When used with the anode of lithium alloy, the operation voltage of the cell is 2 V. The high potential cathode material has a higher potential than the former two materials,and the voltage of the cell can reach to 3 V,which is in favor of the high power output.The application and research of several kinds of the high potential cathode materials were investigated, and the discharge performance were introduced.The further developments of the high potential cathode materials were expected.

thermal battery;high potential;cathode material

TM 912

A

1002-087 X(2015)08-1790-04

2015-03-20

楊光明(1982—)，男，天津市人，工程師，主要研究方向為熱電池。