涂布技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的應(yīng)用

＊張歡歡

（貴州梅嶺電源有限公司 貴州 563000）

涂布技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的應(yīng)用

＊張歡歡

（貴州梅嶺電源有限公司 貴州 563000）

本文簡要分析了國內(nèi)外熱電池領(lǐng)域的現(xiàn)狀和涂布技術(shù)的發(fā)展背景，結(jié)合涂布技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的幾種典型應(yīng)用，依據(jù)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的公司和機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的科研成果，主要闡述了涂布技術(shù)在熱電池應(yīng)用時(shí)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)比所具備的主要優(yōu)勢(shì)及其發(fā)展趨勢(shì)，最后總結(jié)了涂布技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景和當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中的不足，旨在促進(jìn)國內(nèi)外科研公司和機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域的進(jìn)一步深入研究，從而提高涂布技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的應(yīng)用水平，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步提供動(dòng)力。

涂布技術(shù)；熱電池領(lǐng)域；應(yīng)用分析

1.熱電池領(lǐng)域的現(xiàn)狀和涂布技術(shù)的概述

熱電池的傳統(tǒng)生產(chǎn)方式是運(yùn)用大型液壓機(jī)通過壓制粉末來制作電池單體組件，然后按特定順序?qū)@些單體電池組件進(jìn)行堆疊形成單體電池，最后得到特定的熱電池產(chǎn)品。熱電池的傳統(tǒng)生產(chǎn)不僅過程復(fù)雜繁瑣，而且所使用的大型壓力機(jī)床造價(jià)昂貴，從而導(dǎo)致生產(chǎn)成本過高。如今熱電池產(chǎn)品的直徑要求增大，為了保證電池單體組件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，必須適當(dāng)?shù)脑黾訂误w組件的厚度，而相關(guān)研究表明，粉末壓制技術(shù)已經(jīng)無法滿足熱電池單體組件的厚度、尺寸和幾何形狀等方面的需求。

在第二次世界大戰(zhàn)期間，人們?yōu)榱松a(chǎn)電容器材料而開發(fā)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)大面積層狀材料生產(chǎn)的技術(shù)，被稱為涂布技術(shù)。后來隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，涂布技術(shù)得到了長足進(jìn)步和完善，已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用在造紙、油漆、塑料等領(lǐng)域，尤其是在鋰離子電池制造領(lǐng)域的應(yīng)用取得了良好的效果。因?yàn)橥坎技夹g(shù)實(shí)現(xiàn)了較薄電池單體組件的制造。涂布技術(shù)的制造工藝主要是輥涂和噴繪兩種方式，這兩種工藝不但可以大大降低熱電池單體組件的厚度，還能夠生產(chǎn)出各種形狀的單體電池。由涂布技術(shù)制造的熱電池單體組件厚度均勻，能量密度大且不易短路，從而有效的提高了熱電池的比能量和活性物質(zhì)的利用率。

2.涂布技術(shù)的在熱電池領(lǐng)域的應(yīng)用分析

(1)噴涂技術(shù)的應(yīng)用分析

①普通噴涂技術(shù)的應(yīng)用方式與應(yīng)用效果。噴涂技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的率先應(yīng)用是由美國一家名叫EEI的公司開發(fā)的。操作流程：第一步，在“潮濕”環(huán)境下，使用噴槍把電極漿按特定順序涂在一個(gè)集流片上面，然后在真空環(huán)境下對(duì)集流片進(jìn)行干燥；第二步，按壓力要求對(duì)干燥后的集流片進(jìn)行壓制，需在相對(duì)濕度小于3%的環(huán)境中操作；第三步，使用沖床把集流片制作成需要的形狀，從而得到電池單體。該工藝幾乎所有制造流程都可以在自然環(huán)境下進(jìn)行，節(jié)省了建造干燥間的費(fèi)用，同時(shí)大幅提升了生產(chǎn)效率。

②等離子噴涂技術(shù)的應(yīng)用分析。二十世紀(jì)末，美國的一家國家實(shí)驗(yàn)室開始了對(duì)等離子噴涂技術(shù)在熱電池硫化物正極材料中應(yīng)用的研究。相關(guān)資料表明，這家名為桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的美國機(jī)構(gòu)通過測(cè)試硫化物-共晶鹽共噴材料的表征結(jié)果，對(duì)等離子噴涂導(dǎo)致的電池峰壓高的問題制定出了有效的控制措施，并由此明確了等離子噴涂技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的發(fā)展方向和應(yīng)用前景。

③添加硫共噴涂法的應(yīng)用分析。熱電池的正極材料通常都是由硫化物構(gòu)成，如果使用等離子噴涂技術(shù)對(duì)硫化物進(jìn)行噴涂的話容易使其發(fā)生分解，從而導(dǎo)致電池容量的衰降，所以有研究機(jī)構(gòu)依照化學(xué)反應(yīng)的可逆性，通過添加一定百分比的硫與硫化物進(jìn)行共噴涂來制作熱電池的正極組件，從而有效的避免了等離子噴涂技術(shù)造成的正極材料分解狀況的發(fā)生。該機(jī)構(gòu)通過這項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)了等離子噴涂技術(shù)有通過增加熱電池正極材料顆粒與顆粒之間的摩擦來降低電池內(nèi)阻的作用，從而延長了熱電池的使用周期。

④添加共晶鹽共噴涂法的應(yīng)用分析。為了避免殘余硫?qū)﹄姵亟Y(jié)構(gòu)的影響，研究機(jī)構(gòu)采用的是使用共晶鹽代替硫進(jìn)行共噴涂的方法，因?yàn)楣簿}熔化時(shí)會(huì)吸熱，可以有效的減緩熱量對(duì)熱電池正極的沖擊。所以將共晶鹽直接添加到原材料中可以有效的提高熱電池正極材料的電化學(xué)性能。

⑤使用石墨紙作為基體的噴涂方法應(yīng)用分析。石墨紙?jiān)趥鹘y(tǒng)的粉末壓制法中已經(jīng)開始得到應(yīng)用，因?yàn)檠芯堪l(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行電池單體粉末壓制時(shí)添加石墨紙一方面可以增加電池單體的強(qiáng)度，另一方面還能提升電池單體的集流效果，從而有效的降低電池的內(nèi)阻。采用石墨紙作為基體進(jìn)行噴涂的方法可以幫助降低勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)約生產(chǎn)成本，還有助于實(shí)現(xiàn)噴涂的自動(dòng)化。

(2)輥涂技術(shù)的應(yīng)用分析

輥涂技術(shù)的原理和國外的有關(guān)先進(jìn)研究成果。輥涂技術(shù)的涂布方法是：第一步，將特定的液體材料，常見的如混合無機(jī)物粉末、溶劑和粘合劑等涂抹在基板上，通過控制刮刀的開合度來對(duì)不同厚度的材料進(jìn)行基板上的涂布；第二步，涂布完成后，在真空干燥系統(tǒng)中對(duì)液體材料進(jìn)行干燥和溶劑蒸汽的排出。國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)和企業(yè)都對(duì)輥涂技術(shù)在熱電池單體組件制備上的應(yīng)用該進(jìn)行了研究并取得一定成果。如以色列著名的Rafel公司成功的研發(fā)了正極、負(fù)極和電解質(zhì)體系熱電池的整套輥涂技術(shù)；歐洲的ATB熱電池在2012就已經(jīng)開發(fā)了輥涂技術(shù)分別在熱電池正負(fù)極、電解質(zhì)和鐵粉四種材料上的應(yīng)用，以期推動(dòng)熱電池向快激活、高性能和小型化方向發(fā)展；美國的Enser公司用輥涂技術(shù)成功研制出熱電池正、負(fù)極薄膜和電解質(zhì)薄膜，進(jìn)而開發(fā)了中孔單體電池，最后與壓制出的加熱片進(jìn)行組裝得到了一種名為“微型電池”的熱電池，也稱MTB；而近兩年熱電池領(lǐng)域最受關(guān)注的非美國的Eagle Picher莫屬了，他們?cè)?014年宣布了在超薄單體電池組件方面的研究進(jìn)展和成果，主要是大直徑脈沖電池和非圓柱形電池。在一些特殊型號(hào)的熱電池生產(chǎn)過程中，Eagle Picher運(yùn)用了輥涂涂布技術(shù)進(jìn)行大直徑熱電池的設(shè)計(jì)。有關(guān)研究表明，當(dāng)熱電池的工作負(fù)載過高產(chǎn)生較多大電流脈沖時(shí)，為了保證電池的熱化學(xué)性能，必須增大它的直徑，而傳統(tǒng)的粉末壓制法顯然無法滿足這種需求，所以該企業(yè)試圖采用輥涂涂布技術(shù)來制備大直徑的熱電池，而且已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果。

國內(nèi)在對(duì)涂布技術(shù)在熱電池領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚，其中主要是中國工程物理研究院電子工程研究所在展開相關(guān)的研究工作。目前主要是以二硫化鐵為原料制備水基漿料，采取輥涂涂布技術(shù)，以石墨紙作為基體來制成二硫化鐵涂膜陰極。研究結(jié)果表明，使用該二硫化鐵涂膜陰極制備的熱電池單體與壓制陰極法制備的熱電池單體放電性能基本相同，但前者的電壓穩(wěn)定性相對(duì)較差，所以有關(guān)機(jī)構(gòu)還需要對(duì)這種方法進(jìn)行進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。

3.總結(jié)

總而言之，隨著熱電池的需求越來越大，像涂布技術(shù)這樣的先進(jìn)工藝勢(shì)必在熱電池領(lǐng)域擁有廣闊的發(fā)展前景。噴涂技術(shù)一方面可以通過大大提高熱電池單體組件中活性物質(zhì)的密度以實(shí)現(xiàn)熱電池比能量的提升，另一方面輥涂工藝的應(yīng)用可以幫助減少熱電池中活性物質(zhì)的冗余，從而達(dá)到減小電池質(zhì)量和體積的目的。當(dāng)前國內(nèi)外熱電池領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在將涂布技術(shù)應(yīng)用到熱電池的生產(chǎn)的研究工作上取得了一定的成績，但是熱電池在實(shí)際使用過程中仍有一些不足，所以要繼續(xù)深入相關(guān)研究，不斷完善熱電池的性能，從而為提高人們生活水平和推動(dòng)科技發(fā)展提供保障。

(責(zé)任編輯：任聰)

Application of Coating Technology in Thermal Battery Field

Zhang Huanhuan

（Guizhou Meiling Power Supply Co., ltd, Guizhou, 563000）

In this paper, it has taken simple analysis of the status quo of thermal battery fled and the development background of coating technology at home and abroad, besides, combined with the several typical applications of coating technology in thermal battery felds and according to the scientifc research results achieved by the companies and institution relevant to this felds at home and abroad, it has taken expounding of the main advantages and development tendency that the coating technology possesses comparing with the traditional technology, fnally, it has concluded the broad application prospect of coating technology in thermal battery feld and the disadvantages in practical application, which is aimed at promoting the in-depth study of scientifc research companies and institution at home and abroad on this feld, increasing the application level of coating technology in thermal battery feld and providing power for the scientifc technology development and social progress.

coating technology；thermal battery feld；application analysis

T

A

張歡歡（1989～)，女，貴州梅嶺電源有限公司；研究方向：熱電池。