現(xiàn)代熱電池電極材料現(xiàn)狀及展望

代松 楊輝 楊森

摘要：近年來熱電池的研究成為國(guó)家關(guān)注的重點(diǎn)課題，相關(guān)研究者們加大研究力度，取得一定的成效。為此，本文主要從陰極材料和陽極材料兩個(gè)方面分析現(xiàn)代熱電池電極材料現(xiàn)狀，并就熱電池發(fā)展展望進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代熱電池;電極材料;現(xiàn)狀;展望

熱電池屬于固體溶液電解質(zhì)的一種，加熱后融化成離子導(dǎo)電體，是一次性的熔鹽電池[1]。該電池具有諸多優(yōu)勢(shì)，如使用壽命較長(zhǎng)、導(dǎo)電性能好、傳輸功率較大等，目前廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。但是熱電池電極材料的研究仍然有待加強(qiáng)，為此，本文對(duì)現(xiàn)代熱電池電極材料現(xiàn)狀進(jìn)行分析，以期為相關(guān)工作人員提供借鑒。

一、現(xiàn)代熱電池電極材料現(xiàn)狀

1.1陰級(jí)材料

電池發(fā)生還原反應(yīng)的前提是得到電子。要想保證熱電池處于正常供電狀態(tài)，必須確保陰極材料滿足幾個(gè)方面：首先，物理穩(wěn)定性能較好，為設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存提供便利。其次，不僅具有良好的導(dǎo)電性，還具有良好的穩(wěn)定性。此外，電極電位處于較高狀態(tài)。最后，陰極材料溶于電解質(zhì)溶液，同樣地，生成物同樣可溶于電解質(zhì)溶液，導(dǎo)電性能較好。

現(xiàn)如今我國(guó)熱電池陰極材料主要以部分金屬氯化物、氧化物或硫化物材料。其中，可溶于電解質(zhì)的材料有二硫化鐵，與鋰硼材料處于互相匹配狀態(tài)，因此目前其是比較常用的一種熱電池陰極材料[2]。FeS2又分為兩類，一個(gè)是人工制作，另一個(gè)是純天然。人工制備FeS2粉末主要條件為高溫或水熱反應(yīng)。純天然的FeS2主要從黃鐵礦中提取，從提取方式方面分析經(jīng)濟(jì)性能較好，且提取的材料化學(xué)性能較優(yōu)。

FeS2屬于陰極材料，其放電時(shí)可電壓峰值也瞬間形成，從某種程度來說使電池使用壽命顯著縮短，很顯然是不利的。在使用的過程中為避免上述問題，可通過鋰化解決。此外，該材料的應(yīng)用還有一個(gè)不可忽視的重點(diǎn)問題為高溫狀態(tài)下FeS2被分解后生成硫蒸汽，硫蒸氣與陽極反應(yīng)時(shí)對(duì)電池性能產(chǎn)生直接影響。近年來人們加大力度研究熱電池電極材料，取得了良好的研究成果，即陰極替代材料可用二硫化鈷和二硫化鎳，這兩種材料是比較適合的替代材料，因此熱電池電極研究重點(diǎn)方向就變成了二硫化鈷和二硫化鎳。

由于二硫化鈷不溶于電解質(zhì)溶液，二者不會(huì)發(fā)生任何反應(yīng)，具有較高的穩(wěn)定性能，分解反應(yīng)的條件為650℃的高溫，因此可用二硫化鈷替代FeS2[3]。但這種材料電阻率不高，既具有優(yōu)良的功率傳輸特性又具有優(yōu)良的電流導(dǎo)通性，但也具有諸多局限，比如材料獲取難度較大，無法直接在自然物質(zhì)中獲取，僅可通過人工合成獲取，成本較高。目前人們主要通過電沉積法、氣相沉積法、高溫硫化法三種化學(xué)方法制作，目前用二硫化鎳替代二硫化鈷和FeS2作為熱電池的電極仍然處于研究階段，由于材料制作費(fèi)用較高，反應(yīng)過程中可控性一般，因此目前二硫化鎳作為電極還在研究中。

1.2陽極材料

熱電池放電是失去電子，陽極失去電子后發(fā)生了氧化反應(yīng)，其作用原理同于其他電池差異不大。目前階段鋰電池應(yīng)用比較廣泛，除此之外還有其他的材料可作為熱電池陽極材料，如鎂、鈣、鋁等。鋰電池的應(yīng)用雖然在解決鈣電極短路問題方面效果較好，但由于鋰材料熔點(diǎn)低，熱電池工作時(shí)鋰電極材料在溫度影響下被融化，金屬滲漏問題嚴(yán)重，因此目前陽極材料很少引用鋰金屬。比較常用的為鋰金屬和金，在滿足鋰金屬特性的基礎(chǔ)上電極熔點(diǎn)不斷提高。鋰合金電阻小，具有較大電流通過的條件，與其他金屬相比電容量更高，約為其他金屬的5倍，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。

鋰硼材料主要是由硼和鋰單質(zhì)結(jié)合，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，多孔化合物也由此形成，游離狀態(tài)下的金屬鋰單質(zhì)被多孔結(jié)構(gòu)吸附，放電過程中不會(huì)受到電池溫度影響，保證了結(jié)構(gòu)的完整性。鋰硼合金結(jié)構(gòu)之所以穩(wěn)定，很大程度上是因?yàn)橛坞x的鋰單質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。有研究表明化學(xué)反應(yīng)也有少部分的鋰硼合金發(fā)生反應(yīng)，但絕大部分均處于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀態(tài)。

鋰硼合金的制備方法為在特定溫度環(huán)境下融化鋰和硼兩種材料，二者發(fā)生反應(yīng)，鋰融化后通過攪拌，確保化學(xué)反應(yīng)熱平衡得到維持。研究者普遍認(rèn)為第一次放熱主要受熔爐溫度升高影響，材料變白時(shí)放熱溫度在400℃以下，材料粘度與放熱成正比，即放熱越多材料粘度越高。溫度在400℃以上且小于550℃時(shí)再一次產(chǎn)生放熱反應(yīng)，該過程中釋放更多熱量，硼溶液在此條件下固化，最終成為鋰硼合金[4]。

早期主要在惰性氣體保護(hù)基礎(chǔ)上制作鋰硼合金，工藝并不精細(xì)。隨后專家們發(fā)現(xiàn)要想大批量制作鋰硼合金電極就必須通過控制反應(yīng)的溫度的方式控制反應(yīng)熱。在此之后國(guó)外用制作鋰硼薄膜工藝時(shí)借助真空蒸發(fā)技術(shù)進(jìn)行。國(guó)內(nèi)不少研究者也加大力度研究了鋰硼電極，且改良了制作工藝，較好的控制了溫度，為研發(fā)電極材料做出較大的貢獻(xiàn)。發(fā)展至今，我國(guó)鋰硼合金制作工藝取得較大的發(fā)展和進(jìn)步，目前該合金廣泛應(yīng)用于熱電池中，且被人們廣泛推廣。但該電級(jí)的應(yīng)用同樣存在諸多問題，如材料制作成功率有待提高，廢棄產(chǎn)品難以回收等。

二、熱電池電極的展望

熱電池的應(yīng)用必然越來越大，因此對(duì)其性能要求也不斷提高。首先，熱電池輸出功率的提高必須滿足高能量輸出問題[5]。電池壽命的提高還需要在進(jìn)一步深入研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。此外，對(duì)電池體積和容量進(jìn)行有效控制，便于人們安裝和攜帶設(shè)備，未來熱電池主要發(fā)展方向?yàn)椋焊牧棘F(xiàn)有的鋰硼合金工藝，降低成本，使鋰硼電極得到廣泛推廣。解決鋰硼合金電池回收問題，避免給環(huán)境造成污染。探索新的熱電池材料，其中二硫化鎳、LiB和LiAl等為電極的熱電極發(fā)展前景廣闊，熱電池性能更高。

結(jié)語

由于熱電池材料無論是電流導(dǎo)通性還是熱穩(wěn)定性都處于良好狀態(tài)，未來必然成為主流的電源材料。當(dāng)前階段我國(guó)熱電池電極材料仍然存在諸多缺陷，還需要加大研究力度，誕生更多新型的熱電池。

參考文獻(xiàn)

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[2]秦雪敏. 現(xiàn)代熱電池電極材料現(xiàn)狀及展望[J]. 城市建設(shè)理論研究（電子版）， 2016（11）：5391-5391.

[3]陳立波. 探究熱電池電極材料的現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)化工貿(mào)易， 2015， 7（23）：167.

[4]苑曉宇， 馬偉民， 聞雷，等. 熱電池正極材料的研究進(jìn)展[J]. 陶瓷學(xué)報(bào)， 2010（4）：158-164.

[5]陽玲， 丁文革. 熱電池中正極材料后處理技術(shù)的應(yīng)用研究[J]. 當(dāng)代化工研究， 2017（4）：39-40.

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