電解質體系對FeS2/LiSi熱電池激活時間的影響研究

康 博，邢永慧，趙亞旭，曹軍記，林海波

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.吉林大學化學學院，吉林長春 130012)

電解質體系對FeS2/LiSi熱電池激活時間的影響研究

康 博1,2，邢永慧1，趙亞旭1，曹軍記1，林海波2

(1.中國電子科技集團公司第十八研究所，天津300384；2.吉林大學化學學院，吉林長春 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體系對FeS2/LiSi熱電池激活時間的影響。實驗結果表明：空載放電時，二元電解質激活時間短；帶載放電時，三元全鋰電解質激活時間短。

電解質；FeS2/LiSi熱電池；激活時間

熱電池是用其本身的加熱系統把不導電的固體狀態鹽類電解質加熱熔融呈離子型導體而進入工作狀態的一種熱激活儲備電池。它具有激活迅速，貯存時間長，耐苛刻力學和環境溫度，以及免維護等優點，被廣泛應用于武器裝備系統。

激活時間是熱電池重要的性能參數，一般為零點幾秒，甚至幾十毫秒。所謂激活時間就是從輸入激活信號開始到電池的工作電壓達到規定的下限值所需要的時間[1]。由激活時間的定義可知它與點火部件的反應速度、電解質的熔點和熔化熱、電解質的電導率、單體電池和集流片組件的厚度、電池熱量輸入等因素相關。其中，點火部件的反應速度由點火頭或火帽決定，一般為幾毫秒至幾十毫秒[2]。Eagle Picher Technologies (EPT)一直從事中孔結構電池的激活模擬研究，以輔助熱電池設計工作。在熱電池相關項目中開展過電池部件厚度和熱量輸入對激活時間的影響，以滿足不斷提升的裝備反應速度對熱電池激活時間的需求。

鑒于先前研究基礎[3]，為全面開展熱電池激活時間研究，本文以兩種熱電池常用的電解質體系為研究對象，開展電解質體系的熔點和熔化熱、電導率對激活時間影響，為熱電池設計奠定基礎。

1 實驗

1.1 電池制備

分別采用二元和三元全鋰電解質制備FeS2/LiSi熱電池各6只，單體電池直徑為32 mm，電堆中單體電池數量為15片。12只電池其他參數指標均一致，分別標識為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、帶載和三元全鋰電解質。

1.2 性能測試

電池放電采用電池測試系統進行。該測試系統由計算機、USB/GBIP界面、N3300電子負載器、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]。數據由便攜式的數據記錄儀(Model:1-GEN2i-2, Made by HBM in Germany)采集。

圖1 電池測試系統

2 結果與討論

2.1 電解質性能參數

本文采用熱電池常用的二元和三元全鋰電解質體系，二元電解質由44.00%LiCl-56.00%KCl二元共晶鹽和氧化鎂按一定比例燒制而成，其熔點為352℃，500℃電導率為1.00 S/cm；三元全鋰電解質由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相同)燒制而成，其熔點為436℃，500℃電導率為1.89 S/cm，詳見表1。

表1 電解質的主要成分及性能參數[5]

2.2 不同電解質體系熱電池的激活時間對比分析

為了考察放電方式對不同電解質體系的FeS2/LiSi熱電池激活時間影響，采用空載和帶載兩種放電方式分別對12只電池進行放電實驗，采集放電電壓對時間的數據。

2.2.1 空載放電激活時間對比分析

分別對二元和三元全鋰電解質體系電池進行空載放電實驗，其放電曲線如圖2所示。

圖2 電池空載放電曲線

兩種不同電解質體系電池空載放電激活時間結果統計如表2所示。空載放電時，采用二元電解質體系的FeS2/LiSi熱電池激活時間為0.22 s，而采用三元電解質體系的FeS2/LiSi熱電池激活時間為0.29 s。

表2 空載放電激活時間對比

實驗結果表明：空載放電方式下，對于FeS2/LiSi熱電池，采用二元比三元全鋰電解質體系激活時間短。這是由于二元電解質的熔點較三元全鋰電解質低近100℃，其熔化熱較三元全鋰電解質高10～20 J/g。電池的點火部件被啟動后，其加熱系統被迅速引燃后發生劇烈的氧化還原反應并釋放熱量。同時，熱量以對流、擴散和輻射等方式傳至電解質。電解質吸收熱量，溫度上升，直至吸收足夠的熱量，使其溫度達到熔點，電解質中的共晶鹽開始熔融呈離子導體。此時，電池正負極活性物質發生氧化還原反應，并輸出電壓。因此，當其他條件均一致的情況下，空載放電時，采用二元電解質電池的激活時間較短。

2.2.2 帶載放電激活時間對比分析

分別對二元和三元全鋰電解質體系電池進行帶載放電實驗，放電電流密度為500 mA/cm2，其放電曲線如圖3所示。

兩種不同電解質體系電池帶載放電激活時間結果統計如表3所示，帶載放電時，采用二元電解質體系的FeS2/LiSi熱電池激活時間為0.44 s，而采用三元電解質體系的FeS2/LiSi熱電池激活時間為0.37 s。

圖3 電池帶載放電曲線

表3 帶載放電激活時間對比

實驗結果表明：帶載放電方式下，對于FeS2/LiSi熱電池，采用三元全鋰比二元電解質體系激活時間短。這是由于帶載放電時，有電流通過電池，電池正負極活性物質在發生氧化還原反應建立電壓的同時，電池內部也在發生極化。三元全鋰電解質的電導率較二元電解質電導率大近1倍，電池被激活后，二元電解質體系電池因電解質熔點較低(352℃)首先開始輸出電壓，隨放電時間的增大輸出電壓緩慢上升，而三元全鋰電解質體系電池則相反，輸出電壓隨放電時間的延長迅速上升至工作電壓下限。因此，當其他條件均一致的情況下，帶載放電時，采用三元全鋰電解質電池的激活時間較短。

3 結論

采用熔融鹽作為電解質的熱電池，其激活時間與電解質的熔點和電導率兩方面因素相關。二元電解質(共晶鹽組成為44.00%LiCl-56.00%KCl)受熔點影響空載激活快，而三元全鋰電解質(共晶鹽組成為9.56%LiF-22.00%LiCl-68.34%LiBr)受熔點和電導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：國防工業出版社，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，張云霞，等.兩種常用電解質體系的LiB/FeS2熱電池性能的差異及其影響機理的研究[J].中國電子科學研究院學報，2007(4)：365-370.

[4]董程林.熱電池自動測試系統開發研究[D].天津：南開大學，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，主要研究方向為電化學。