電解質(zhì)體系對(duì)FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間的影響研究

康 博，邢永慧，趙亞旭，曹軍記，林海波

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

電解質(zhì)體系對(duì)FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間的影響研究

康 博1,2，邢永慧1，趙亞旭1，曹軍記1，林海波2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

采用空載和帶載兩種放電方式，研究了熱電池常用的二元和三元全鋰電解質(zhì)體系對(duì)FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空載放電時(shí)，二元電解質(zhì)激活時(shí)間短；帶載放電時(shí)，三元全鋰電解質(zhì)激活時(shí)間短。

電解質(zhì)；FeS2/LiSi熱電池；激活時(shí)間

熱電池是用其本身的加熱系統(tǒng)把不導(dǎo)電的固體狀態(tài)鹽類電解質(zhì)加熱熔融呈離子型導(dǎo)體而進(jìn)入工作狀態(tài)的一種熱激活儲(chǔ)備電池。它具有激活迅速，貯存時(shí)間長(zhǎng)，耐苛刻力學(xué)和環(huán)境溫度，以及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于武器裝備系統(tǒng)。

激活時(shí)間是熱電池重要的性能參數(shù)，一般為零點(diǎn)幾秒，甚至幾十毫秒。所謂激活時(shí)間就是從輸入激活信號(hào)開始到電池的工作電壓達(dá)到規(guī)定的下限值所需要的時(shí)間[1]。由激活時(shí)間的定義可知它與點(diǎn)火部件的反應(yīng)速度、電解質(zhì)的熔點(diǎn)和熔化熱、電解質(zhì)的電導(dǎo)率、單體電池和集流片組件的厚度、電池?zé)崃枯斎氲纫蛩叵嚓P(guān)。其中，點(diǎn)火部件的反應(yīng)速度由點(diǎn)火頭或火帽決定，一般為幾毫秒至幾十毫秒[2]。Eagle Picher Technologies (EPT)一直從事中孔結(jié)構(gòu)電池的激活模擬研究，以輔助熱電池設(shè)計(jì)工作。在熱電池相關(guān)項(xiàng)目中開展過電池部件厚度和熱量輸入對(duì)激活時(shí)間的影響，以滿足不斷提升的裝備反應(yīng)速度對(duì)熱電池激活時(shí)間的需求。

鑒于先前研究基礎(chǔ)[3]，為全面開展熱電池激活時(shí)間研究，本文以兩種熱電池常用的電解質(zhì)體系為研究對(duì)象，開展電解質(zhì)體系的熔點(diǎn)和熔化熱、電導(dǎo)率對(duì)激活時(shí)間影響，為熱電池設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 電池制備

分別采用二元和三元全鋰電解質(zhì)制備FeS2/LiSi熱電池各6只，單體電池直徑為32 mm，電堆中單體電池?cái)?shù)量為15片。12只電池其他參數(shù)指標(biāo)均一致，分別標(biāo)識(shí)為KE1，KE2，KE3，DE1，DE2和DE3，KS1，KS2，KS3，DS1，DS2和DS3，其中K、E、D和S分別代表空載、二元電解質(zhì)、帶載和三元全鋰電解質(zhì)。

1.2 性能測(cè)試

電池放電采用電池測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行。該測(cè)試系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、USB/GBIP界面、N3300電子負(fù)載器、6653A直流電源和可編程的微控制器(Agilent VEE Pro.Version:7.51.7801.0)組成，如圖1所示[4]。數(shù)據(jù)由便攜式的數(shù)據(jù)記錄儀(Model:1-GEN2i-2, Made by HBM in Germany)采集。

圖1 電池測(cè)試系統(tǒng)

2 結(jié)果與討論

2.1 電解質(zhì)性能參數(shù)

本文采用熱電池常用的二元和三元全鋰電解質(zhì)體系，二元電解質(zhì)由44.00%LiCl-56.00%KCl二元共晶鹽和氧化鎂按一定比例燒制而成，其熔點(diǎn)為352℃，500℃電導(dǎo)率為1.00 S/cm；三元全鋰電解質(zhì)由9.56%LiF-22.00%LiCl-68.34%LiBr三元全鋰共晶鹽和氧化鎂按一定比例(該比例與二元電解質(zhì)相同)燒制而成，其熔點(diǎn)為436℃，500℃電導(dǎo)率為1.89 S/cm，詳見表1。

表1 電解質(zhì)的主要成分及性能參數(shù)[5]

2.2 不同電解質(zhì)體系熱電池的激活時(shí)間對(duì)比分析

為了考察放電方式對(duì)不同電解質(zhì)體系的FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間影響，采用空載和帶載兩種放電方式分別對(duì)12只電池進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，采集放電電壓對(duì)時(shí)間的數(shù)據(jù)。

2.2.1 空載放電激活時(shí)間對(duì)比分析

分別對(duì)二元和三元全鋰電解質(zhì)體系電池進(jìn)行空載放電實(shí)驗(yàn)，其放電曲線如圖2所示。

圖2 電池空載放電曲線

兩種不同電解質(zhì)體系電池空載放電激活時(shí)間結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2所示。空載放電時(shí)，采用二元電解質(zhì)體系的FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間為0.22 s，而采用三元電解質(zhì)體系的FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間為0.29 s。

表2 空載放電激活時(shí)間對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：空載放電方式下，對(duì)于FeS2/LiSi熱電池，采用二元比三元全鋰電解質(zhì)體系激活時(shí)間短。這是由于二元電解質(zhì)的熔點(diǎn)較三元全鋰電解質(zhì)低近100℃，其熔化熱較三元全鋰電解質(zhì)高10～20 J/g。電池的點(diǎn)火部件被啟動(dòng)后，其加熱系統(tǒng)被迅速引燃后發(fā)生劇烈的氧化還原反應(yīng)并釋放熱量。同時(shí)，熱量以對(duì)流、擴(kuò)散和輻射等方式傳至電解質(zhì)。電解質(zhì)吸收熱量，溫度上升，直至吸收足夠的熱量，使其溫度達(dá)到熔點(diǎn)，電解質(zhì)中的共晶鹽開始熔融呈離子導(dǎo)體。此時(shí)，電池正負(fù)極活性物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，并輸出電壓。因此，當(dāng)其他條件均一致的情況下，空載放電時(shí)，采用二元電解質(zhì)電池的激活時(shí)間較短。

2.2.2 帶載放電激活時(shí)間對(duì)比分析

分別對(duì)二元和三元全鋰電解質(zhì)體系電池進(jìn)行帶載放電實(shí)驗(yàn)，放電電流密度為500 mA/cm2，其放電曲線如圖3所示。

兩種不同電解質(zhì)體系電池帶載放電激活時(shí)間結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示，帶載放電時(shí)，采用二元電解質(zhì)體系的FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間為0.44 s，而采用三元電解質(zhì)體系的FeS2/LiSi熱電池激活時(shí)間為0.37 s。

圖3 電池帶載放電曲線

表3 帶載放電激活時(shí)間對(duì)比

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：帶載放電方式下，對(duì)于FeS2/LiSi熱電池，采用三元全鋰比二元電解質(zhì)體系激活時(shí)間短。這是由于帶載放電時(shí)，有電流通過電池，電池正負(fù)極活性物質(zhì)在發(fā)生氧化還原反應(yīng)建立電壓的同時(shí)，電池內(nèi)部也在發(fā)生極化。三元全鋰電解質(zhì)的電導(dǎo)率較二元電解質(zhì)電導(dǎo)率大近1倍，電池被激活后，二元電解質(zhì)體系電池因電解質(zhì)熔點(diǎn)較低(352℃)首先開始輸出電壓，隨放電時(shí)間的增大輸出電壓緩慢上升，而三元全鋰電解質(zhì)體系電池則相反，輸出電壓隨放電時(shí)間的延長(zhǎng)迅速上升至工作電壓下限。因此，當(dāng)其他條件均一致的情況下，帶載放電時(shí)，采用三元全鋰電解質(zhì)電池的激活時(shí)間較短。

3 結(jié)論

采用熔融鹽作為電解質(zhì)的熱電池，其激活時(shí)間與電解質(zhì)的熔點(diǎn)和電導(dǎo)率兩方面因素相關(guān)。二元電解質(zhì)(共晶鹽組成為44.00%LiCl-56.00%KCl)受熔點(diǎn)影響空載激活快，而三元全鋰電解質(zhì)(共晶鹽組成為9.56%LiF-22.00%LiCl-68.34%LiBr)受熔點(diǎn)和電導(dǎo)率兩方面因素綜合作用，帶載激活快。

[1]陸瑞生.熱電池[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005：82.

[2]GUIDOTTI R A,REINHARDT F W.Evaluation of Alternative Electrolytes for use in Li(Si)/FeS2Thermal Batteries[C]//Proceeding of the 33th Power Sources Conference Symposia.Cherry Hill,New Jersey:The Electrochemical Society Inc,1998:369-376.

[3]種晉，董靜，張?jiān)葡迹?兩種常用電解質(zhì)體系的LiB/FeS2熱電池性能的差異及其影響機(jī)理的研究[J].中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2007(4)：365-370.

[4]董程林.熱電池自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)研究[D].天津：南開大學(xué)，2008:32.

[5]GUIDOTTI R A,MASSET P.Thermally activated(“thermal”)battery technology Part I:An overview[J].Journal of Power Sources, 2006,161:1443-1449.

Study on effect of electrolyte systems on activation time of FeS2/LiSi thermal battery

The effect of electrolyte systems on the activation time in FeS2/LiSi thermal battery was studied.The batteries were discharged in two different modes of with and without load.The results indicate that the activation time is short for FeS2/LiSi thermal battery with two-component electrolyte,and which is discharged without load;the activation time was short for FeS2/LiSi thermal battery with three-component electrolyte,and was discharged with load.

electrolyte;FeS2/LiSi thermal battery;activation time

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2153-02

2015-03-22

康博(1980—)，女，吉林省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)。