扇形极片在热电池中的应用研究

赵文莉，赵贵平，潘志鹏，刘方，宋甫

贵州梅岭电源有限公司，贵州遵义 563003

摘要：本文对扇形极片单体电池的结构设计及制造工艺、电池堆结构设计等方面进行研究，解决扇形极片热电池设计制备的关键技术，实现扇形极片热电池的电性能，为后期开展异型电极热电池的研究奠定技术基础。

关键词：热电池；扇形极片；电性能

1引言

热电池是一种熔盐电解质贮备电池，使用时通过外部激活信号引燃其内部烟火系统，使电解质熔化成离子导体，从而激活电池，对外输出电能^[1]。热电池由于具有激活时间短、温度使用范围宽^[2]、承受环境力学条件能力强、贮存时间长、免维护^[3]等特点广泛用于军事领域。随着武器系统对弹上能源热电池功率、质量、体积等方面要求的不断提高，研究开发高比功率、比能量热电池，小型化热电池成为热电池技术发展的重要研究方向。

在某项目中，电池组要求在有限的高度空间内实现两组独立电能输出，若采用常规圆形电极的设计方式，只能在该空间内单独实现一组输出，无法满足技术要求。针对该技术难点，将单元电池内部设计为两个相同的扇形（180度）电池堆，两个电池堆中间采用绝缘板进行绝缘隔离，左右组合成圆形体，将常规的圆形极片设计成两个扇形的异形结构，设计专用的工装模具进行异形复合片的制作，并设计配套的内部结构件和靠山以完成电池堆的固定安装。此设计有效降低电池堆的高度、减少结构件质量，从而提高热电池的比能量和比功率。通过本研究，解决扇形极片热电池设计与制造的关键技术。

2实验

2.1实验材料

正极材料：FeS₂；负极材料：LiB合金；隔膜：LiF-LiCl-LiBr电解质、MgO；加热材料：Fe、KClO₄；石墨片、集流片。

2.2样机电池制备

将加热粉、正极和隔膜压制成扇形复合片，将负极材料LiB合金冲成需要尺寸的扇形负极片，复合片、负极片、加热片、集流片、基片组装成单体电池。样机电池的尺寸为Φ70mm×46mm，样机电池分为A组和B组两组独立输出电能，A组和B组两个电池堆采用相同的设计，每个电池堆由15个单体电池串联组成，极片尺寸为R29mm，单体电池如图1所示，扇形极片电池堆的结构如图2所示，扇形极片单体电池的设计参数如表2所示。

图1扇形极片单体电池结构示意图 图2扇形极片电池堆的结构示意图

2.3电性能测试

在室温条件下采用电子负载测试系统对样机电池进行放电测试同时采集放电数据。

3研究结果

3.1 扇形极片单体电池的制造工艺

设计专用的制造装备、工装模具进行扇形极片的制作，通过实验确定扇形极片制造工艺，扇形极片成型好坏取决于压力大小^[4]，采用工厂125T压机进行扇形极片成型压力试验，制作R29mm扇形极片成型试验情况如表1所示。

表1 125T压机R29mm扇形极片成型试验情况

序号	压机表压值	扇形极片成型情况
1	300KN	不能成型
2	400KN	成型差，中部有裂纹
3	500KN	成型较差，掉边
4	560KN	厚度0.7mm，可以成型
5	580KN	厚度0.6mm，成型良好,
6	600KN	厚度0.6mm，成型良好，极片粘在模芯上。

从表1试验结果可以看出，采用现有的125T压机进行尺寸为R29mm的扇形极片制作，按照300KN进行制片，扇形极片不能成型；当压力达到580KN时，扇形极片成型良好，满足使用要求，而当压力调整到600KN时，扇形极片粘在模芯上，不容易从模芯上取下扇形极片。

3.2半极片热电池的电化学性能

将样机电池进行放电试验，放电电压曲线如图7所示。

图3 A组放电电压曲线 图4 B组放电电压曲线

（电流密度：0s～10s，0.02A/cm²，10s～30s， （电流密度0.08A/cm²）

0.32A/cm²，30s～50s，0.81A/cm²）

从图3可以看出，当截止电压为1.7 V时，电池堆A组输出比容量为79.67mA·h/g，从图4可以看出，电池堆B组输出比容量为38.07mA·h/g。样机电池的放电电压曲线平滑，实验表明采用扇形极片设计能够实现热电池的电性能。

在样机电池放电完毕后，对其进行解剖，电池堆见图5，扇形电极见图6。

图5 放电完毕后电池堆 图6 放电完毕后扇形电极片和集流片

从图5和图6可以看出，样机电池放电完毕后，电池堆和极片以及内部的引出片、集流片等零部件无异常，扇形极片可以应用于产品中。

4结论

扇形极片热电池的应用研究是高比能量热电池技术研究的重要方向，研究工作中，在扇形极片单体电池的结构设计、制造工艺、扇形极片热电池的电池堆结构设计等方面取得技术突破，解决扇形极片热电池的关键技术，为后期开展异型电极热电池的研究奠定基础。

参考文献

1. 陆瑞生, 刘效疆. 热电池[M] . 北京: 国防工业出版社，2005.

2. 李国欣. 新型化学电源技术概论[M] .上海科学技术出版社，2007.

3. Masset PJ, Guidotti RA. Thermal activated (thermal) battery technology Part II. Molten salt electrolytes. J Power Sources. 2007;164(1):397-414.

4. Masset PJ, Guidotti RA. Thermal activated (“thermal”) battery technology Part IIIa: FeS₂ cathode material. J Power Sources. 2008;177(2):595-609.