高功率熱電池用二硫化鈷制備及性能測試研究

楊冬麗

摘 要：二硫化鈷是制備高功率熱電池中的一種重要的正極材料，其應用可以有效地解決二硫化鐵體系熱電池超壓、電壓區間窄、工作時間較短和長時間貯存性能下降等問題。加強對二硫化鈷的研究，對于電池的性能的具有重要意義，本文主要針對高功率熱電池用二硫化鈷制備及性能測試內容進行詳細分析，以促進整個行業的發展。

關鍵詞：高功率熱電池;二硫化鈷;電池制備;性能測試

熱電池貯存時電解質為不導電的固體，使用時用電發火頭或撞針機構引燃其內部的加熱藥劑，使電解質熔融成為離子導體而被激活的一種儲備電池。

1 高功率熱電池的制備與測試

1.1 二硫化鈷的制備

二硫化鈷是制備高功率熱電池的一種重要材料，往往以硫磺粉和鈷粉作為原材料，通過高溫加熱的方式制取。其制備過程為：將金屬鈷粉和硫粉兩者按比例稱量混合，然后將其密封至英管中，完成上述操作后，將密封好的石英管輕置于不銹鋼反應釜中進行加熱，反應結束后，通過自然冷卻的方式得到二硫化鈷晶體，然后要做好相應的粉碎作業，并且要完成相應的篩選作業。再通過高溫脫硫與鋰化削峰，就可以獲取到制備高功率熱電池的應用的二硫化鈷。

1.2 高功率熱電池的裝配

由于熱電池制備使用的原材料的吸濕性強，因此熱電池的整個生產過程及零部件準備均應在相對濕度不大于3%的干燥房內進行。首先，將正極料二硫化鈷負極料鋰硅合金粉以及隔膜料，通過壓片模將三者壓制成復合片。再用同樣的方式將加熱粉壓制為加熱片。接著按一定的疊裝方式將加熱片、復合片、集流片等裝配成15//15的電池堆，最后在電池堆外裹上石棉紙、云母帶等保溫材料，并用纖維帶對其進行固定。將包裹好的電池堆裝入不銹鋼金屬殼內，通過焊接的方式對其進行密封，制成試驗所用的熱電池。

1.3 熱電池的物理性能檢測

本次試驗對熱電池的性能進行檢測方式如下：將熱電池放在高低溫箱內，將溫度設置為預期試驗溫度，保溫6h。6h過后進行高低溫放電試驗，其放電時序為：額定電流10A，100s后加載5個30A/200ms的脈沖，要對電壓值進行準確記錄，反映熱電池的具體性能。

2 采用二硫化鈷制備高功率熱電池性能測試的分析

2.1 熱電池的外表與粒度形式

利用掃描電子顯微鏡（SEM）進行觀察，通過觀察可以發現，顆粒外表會呈現出坑坑洼洼的特點，并且會存在大量的孔道構造，這一結構擴大了熱電池中電解質的觸碰面積，也降低了電流的密度，使放電水平得到了提高。通過估算，這種多孔構造的二硫化鈷結構的堆積密度在（1.09～1.12）g/cm3之間，與通過自然堆積法測量出的密度相比，要小很多。

2.2 灼燒失重

通過灼燒失重法對二硫化鈷進行測定，該試驗需在620℃氮氣保護下進行，結果顯示其灼燒失重率僅為0.105%，表明在620℃下，二硫化鈷分解量較小，二硫化鈷具有不錯的熱穩定性，能夠減少熱電池在被激活后，溫度驟升引起硫化物正極的分解，同時，也提高了其在應用過程中的安全性，這在一定程度上拓寬了熱電池的工作區間。

2.3 內阻測試

利用二硫化鐵和二硫化鈷正極分別制作單體電池，并且裝配熱電池，完成相應的作業后，開展高低溫電池性能試驗，對電池的放電初期和后期的內阻情況進行考察，具體考察結果如表1所示。

通過表1中數據可以發現，在相同條件下，二硫化鈷的內阻與二硫化鐵相比內阻更低，分析其原因如下：

①二硫化鐵自身是一種半導體材料，而二硫化鈷具有電子導電性，從理論上來說，其電阻率為0.002Ω·cm，其要遠低于17.7Ω·cm，利于降低二硫化鈷這估計材料在實際工作過程中的歐姆極化;②二硫化鐵和二硫化鈷都是立方晶型，但是二硫化鐵晶粒相對較大，結構較規則，表面積相對較小，而二硫化鈷多數都為人合成的，其表面積較大，因此，在負載相同的情況下，二硫化鈷正極的陰極極化電流的密度較小，這也就造成了電化學極化點處于一個相對較低的狀態;③因為鋰離子會參與到電極反應中，而在正晶格間鋰離子會呈現出不同的擴散速度，同時，電解質接觸界面上溶解度呈現出的差異性也會對陰極極化造成對應影響。

由此可見，二硫化鈷正極材料適合應用在高比功率、高比能量的熱電池研制中，在應用中其優勢十分明顯，因此，在日后高功率熱電池的研制過程中，應當加強對二硫化鈷的研究工作，使其性能特點可以得到充分發揮，提高電池性能。

3 結束語

高功率熱電池用二硫化鈷制備及性能測試可以熱電池的物理性能檢測、熱電池的外表與粒度形式、灼燒失重、內阻測試等多個方面入手，從而使熱電池的性能可以得到進一步提升，滿足應用需求，促進相關行業的發展。

參考文獻：

[1]李靜.固體氧化物燃料電池電解質制備方法的研究[J].廣州化工，2017，45（14）：23-24+27.