現代熱電池電極材料現狀及展望

代松 楊輝 楊森

摘要：近年來熱電池的研究成為國家關注的重點課題，相關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方面分析現代熱電池電極材料現狀，并就熱電池發展展望進行總結。

關鍵詞：現代熱電池;電極材料;現狀;展望

熱電池屬于固體溶液電解質的一種，加熱后融化成離子導電體，是一次性的熔鹽電池[1]。該電池具有諸多優勢，如使用壽命較長、導電性能好、傳輸功率較大等，目前廣泛應用于各行各業。但是熱電池電極材料的研究仍然有待加強，為此，本文對現代熱電池電極材料現狀進行分析，以期為相關工作人員提供借鑒。

一、現代熱電池電極材料現狀

1.1陰級材料

電池發生還原反應的前提是得到電子。要想保證熱電池處于正常供電狀態，必須確保陰極材料滿足幾個方面：首先，物理穩定性能較好，為設備長時間儲存提供便利。其次，不僅具有良好的導電性，還具有良好的穩定性。此外，電極電位處于較高狀態。最后，陰極材料溶于電解質溶液，同樣地，生成物同樣可溶于電解質溶液，導電性能較好。

現如今我國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，可溶于電解質的材料有二硫化鐵，與鋰硼材料處于互相匹配狀態，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，一個是人工制作，另一個是純天然。人工制備FeS2粉末主要條件為高溫或水熱反應。純天然的FeS2主要從黃鐵礦中提取，從提取方式方面分析經濟性能較好，且提取的材料化學性能較優。

FeS2屬于陰極材料，其放電時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，該材料的應用還有一個不可忽視的重點問題為高溫狀態下FeS2被分解后生成硫蒸汽，硫蒸氣與陽極反應時對電池性能產生直接影響。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溶液，二者不會發生任何反應，具有較高的穩定性能，分解反應的條件為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，既具有優良的功率傳輸特性又具有優良的電流導通性，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，由于材料制作費用較高，反應過程中可控性一般，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，陽極失去電子后發生了氧化反應，其作用原理同于其他電池差異不大。目前階段鋰電池應用比較廣泛，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，但由于鋰材料熔點低，熱電池工作時鋰電極材料在溫度影響下被融化，金屬滲漏問題嚴重，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上電極熔點不斷提高。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，目前已經得到廣泛的應用。

鋰硼材料主要是由硼和鋰單質結合，發生了化學反應，多孔化合物也由此形成，游離狀態下的金屬鋰單質被多孔結構吸附，放電過程中不會受到電池溫度影響，保證了結構的完整性。鋰硼合金結構之所以穩定，很大程度上是因為游離的鋰單質發生反應。有研究表明化學反應也有少部分的鋰硼合金發生反應，但絕大部分均處于結構穩定狀態。

鋰硼合金的制備方法為在特定溫度環境下融化鋰和硼兩種材料，二者發生反應，鋰融化后通過攪拌，確保化學反應熱平衡得到維持。研究者普遍認為第一次放熱主要受熔爐溫度升高影響，材料變白時放熱溫度在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℃時再一次產生放熱反應，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基礎上制作鋰硼合金，工藝并不精細。隨后專家們發現要想大批量制作鋰硼合金電極就必須通過控制反應的溫度的方式控制反應熱。在此之后國外用制作鋰硼薄膜工藝時借助真空蒸發技術進行。國內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，為研發電極材料做出較大的貢獻。發展至今，我國鋰硼合金制作工藝取得較大的發展和進步，目前該合金廣泛應用于熱電池中，且被人們廣泛推廣。但該電級的應用同樣存在諸多問題，如材料制作成功率有待提高，廢棄產品難以回收等。

二、熱電池電極的展望

熱電池的應用必然越來越大，因此對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一步深入研究的基礎上進行創新。此外，對電池體積和容量進行有效控制，便于人們安裝和攜帶設備，未來熱電池主要發展方向為：改良現有的鋰硼合金工藝，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展前景廣闊，熱電池性能更高。

結語

由于熱電池材料無論是電流導通性還是熱穩定性都處于良好狀態，未來必然成為主流的電源材料。當前階段我國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

[1]李進， 劉丹. 現代熱電池電極材料現狀及展望[J]. 當代化工研究， 2017（3）：99-100.

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

[3]陳立波. 探究熱電池電極材料的現狀[J]. 中國化工貿易， 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展[J]. 陶瓷學報， 2010（4）：158-164.

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

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