首先应用锂离子电池电极的制造方法———涂布技术，分别生产出了热动力电池的正极与电解质薄膜，并经过结构、形状和电化学特性试验，证实了涂布技术在热动力电池应用领域中的可能性。将电解液涂布于正极基底上，在二者的界面上建立了正极和电解液复合物，并通过单体热测试模具在高温下的放电，实验结果显示使用该方式比较传统的粉末压制法所生产的单体热电池内阻较低，且运行时间也更长，证明了涂布方式在发热动力电池中的优势。
1.概述
热燃油动力电池,就是在热的作用下使电解液熔化形成离子导体并被激发的新型一次燃油动力电池,主要应用军事与航空方面,由烟火控制系统、终极点、保温板材、动力电池堆及外壳等结构。燃料电池堆是热燃料电池的重要核心部分,它由燃料电池正极片、隔膜片和负极片的堆叠成形,并在经过外加相应压强后,被密封于金属壳体之中。动力电池堆中的正极电极和电解液电极对其性能有很大的影响，目前多数采用粉状挤出成型工艺来制造，其工艺流程大致如下：首先用助剂将主要活性材料混合，然后用专用的模具进行挤压，最后进行脱模，从而获得正电极和电解质。这种热成型工艺主要具有如下弊端:其一,机械性能较低下,为满足热机械性能,极片直径尺寸受到厚度的影响,从而导致热动力电池材料用量大大加大,电极的实际容量也大大大于放电性量,从而造成材料效率下降,热动力电池的实际容积大大增大,从而制约了热动力电池进一步向紧凑型化走向的进一步发展;其二,生产成本较高,其因素主要包括以下三个:材料的实际使用率较少;动力电池制造目前仍是劳动密集型行业,特别是金属粉末压制,较多环节仍需人工协助进行;其三,由于动力电池造型较简单,在动力电池产品设计中缺少了灵活性。
所以,为推动热电池的开发,就需要通过技术创新提供更合理有效的新设计技术,以克服传统粉末压制技术不能实现的热电池中单体元件从体积、外形、强度等多方面满足的设计困难。而涂布技术则是一项能够大规模制备金属层状物质的新工艺技术,而涂布工艺在热电池中的应用也可以有效降低热电池的整体重量,对热电池小型化具有积极的促进意义。但是,目前有关涂布技术在热电池中应用的资料还相对较少。本文主要研究涂布技术在热电池上的应用研究,即根据规定的配比将黏结物、活性物、导电剂等搅拌均匀后,在热印刷装置上生成膜,然后再根据热电池要求剪成所需规格,最后再将其和加热电池中的其他零件装配成单体电池,通过高温试验评价了涂布工艺技术在加热电池中使用的可能性。
2.实验部分
(1)实验材料
在本研制中热电池的电解质系统将使用Li F-Li C1-Li Br-Mg O,电源材质为Fe S2,负极材质为Li-B合金。
(2)制备过程
将正极活性物和黏结剂以9:1的质量比通过球磨搅拌均匀之后,接着使用金属刮刀将其平均涂灰在基底面上,待溶液烘干后即获得薄层水平方位。使用同样办法,将制得的正极薄膜表面适当地涂抹上一个电解质浆料,最后再加以剪切,以获得理想的厚度。
(3)表征方法
通过扫描电子显微镜技术(Scanning electron microscope, SEM,型号为HITACHI s-4800)，能够描述由涂覆处理技术生产的热电池电极和电解质薄层的形态结构；高电性试验法是将新生产的动力电池放入专用的模具内，在高温下加热到一定的温度，并与常规方法制作的电池进行对比。
3.结果分析
涂布工艺要求下,在正极与电解液成膜前后的SEM数码扫描结果,如图一所显示。正极材料中加入黏贴剂之后,再经过涂布技术成层,在水平方位与膜材料的粒子之间附着良好,从而显示出了优良的成模性,且粒子尺寸基本未改变(图1(b))。正极的基底表层平均涂布一遍电解质浆料后,待溶液挥发晾干彻底后的效应如图1(d)所显示。经过热球磨混浆后,由于材料粒子尺寸的变小,高压电极片表面更加密实,这样就可以增加电解液的压实密度,从而降低电池内阻,提高热电池特性。不同方法生产的建筑单体热电池放电也会不同,测试环境温度在550℃之间,恒流放电电流约一甲,截止电流为0.5V。使用粉末压缩方式所得到的单体电池放电时间约为79s;采用涂布技术生产的单体发热动力电池在同样放电操作条件,其时间达到130s,远大于采用粉末压制依法得的单体电池释能时间。而采用涂布工艺技术制备的单体电池压力降低(即电池内阻)远低于粉末压制依法得的燃料电池压力降低,表明了采用涂布工艺技术生产的正极材料和电解质复合涂料可以降低热电池内阻抗,从而延长了有效时间。使用喷涂工艺技术分别生产了热电池正极材料和电解液覆膜，根据XRD分析此方式并不会影响材料的特性，也证实了喷涂工艺技术在热动力电池应用领域的可能性。扫描电镜结果还表明，在水平方向上，将电解质喷入到电解质中，形成一个过渡层，从而减小了电池的内部电阻。实验表明，采用该技术与常规粉末成型工艺相比，具有更低的内部电阻和更长的工作寿命。结果表明，采用涂层技术对加热功率电池具有一定的优越性。
4讨论
目前的热电池电极和电解质成形方法主要采取粉末挤压成形工序，将原材料与所需要的添加剂搅拌均匀后，在专门的模具中进行压力机挤压成形，随后通过脱模获得热阴极和电解质等。但是，该技术也具有较多弊端:(1)机械特点差，各种尺寸下具有压力厚度范围下限，压力圆片的厚度不宜太薄，这会引起热电池所用阴极材质的容积通常超过现实所用电池放电容积，容积效率低，而且过度的材质产生了较大的动力电池容积，阻碍了动力电池小型化的进程;(2)生产成本高昂。另一方面物料的加工效率降低，会提高热电池的物料生产成本;而且由于当前热电池制造过程一般为劳动密集型，粉末挤压的流程基本上都需要人工作业，因此人力成本也较高;(3)动力电池外形受压制模具的局限。不利于电池设计的灵活多样;(4)水平方向活性化合物与附加的电解质导电物相互掺杂均一性，在微观上极难掌握这在多重电解液的混用中尤为突出，而掺杂性原料的不平衡使水平方向乃至整个高温电池内阻显著加大，进一步削弱了热电池的总体特性，对武器设备影响甚大。正因为这些缺陷，热电池电极制造工艺技术亟待得到完善。目前，应用热电池薄膜正极材料的方式主要有:丝网印、磁控溅射[2-5]等。但由于涂布技术在热电池方面的应用相对较浅，同时涂布技术的应用也可以有效降低热电池的体积，对热电池小型化具有积极的促进意义。
结束语
综上所述,应用新工艺制成的阴极产品物相没有改变,阴极材料粒径降低,阴极片表面更加平滑,正极片和隔膜片之间有电解质过滤层组成。高温试验结果显示,和传统技术制得的热电池比较,涂布工艺热电池拥有更小的热内阻和更长的运行时间。这主要是由于基于涂布工艺技术的应用,可以有效降低热电池中活性物料不必要的热容量损失,从而降低热电池整体质量和尺寸,并有效增加热电池的尺寸比能力和质量比能力。
结束语
[1]孟剑,段其智,万伟华,王畅.涂布工艺在热电池中的应用研究[J].当代化工研究,2019(02):128-129.
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[3]张青青,丁飞,张晶,韩宇,邢永慧.涂布工艺在热电池中的应用研究[J].电源技术,2017,41(05):746-747.
