高功率熱電池用二硫化鈷制備及性能測(cè)試研究

楊冬麗

摘 要：二硫化鈷是制備高功率熱電池中的一種重要的正極材料，其應(yīng)用可以有效地解決二硫化鐵體系熱電池超壓、電壓區(qū)間窄、工作時(shí)間較短和長(zhǎng)時(shí)間貯存性能下降等問(wèn)題。加強(qiáng)對(duì)二硫化鈷的研究，對(duì)于電池的性能的具有重要意義，本文主要針對(duì)高功率熱電池用二硫化鈷制備及性能測(cè)試內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析，以促進(jìn)整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高功率熱電池;二硫化鈷;電池制備;性能測(cè)試

熱電池貯存時(shí)電解質(zhì)為不導(dǎo)電的固體，使用時(shí)用電發(fā)火頭或撞針機(jī)構(gòu)引燃其內(nèi)部的加熱藥劑，使電解質(zhì)熔融成為離子導(dǎo)體而被激活的一種儲(chǔ)備電池。

1 高功率熱電池的制備與測(cè)試

1.1 二硫化鈷的制備

二硫化鈷是制備高功率熱電池的一種重要材料，往往以硫磺粉和鈷粉作為原材料，通過(guò)高溫加熱的方式制取。其制備過(guò)程為：將金屬鈷粉和硫粉兩者按比例稱量混合，然后將其密封至英管中，完成上述操作后，將密封好的石英管輕置于不銹鋼反應(yīng)釜中進(jìn)行加熱，反應(yīng)結(jié)束后，通過(guò)自然冷卻的方式得到二硫化鈷晶體，然后要做好相應(yīng)的粉碎作業(yè)，并且要完成相應(yīng)的篩選作業(yè)。再通過(guò)高溫脫硫與鋰化削峰，就可以獲取到制備高功率熱電池的應(yīng)用的二硫化鈷。

1.2 高功率熱電池的裝配

由于熱電池制備使用的原材料的吸濕性強(qiáng)，因此熱電池的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程及零部件準(zhǔn)備均應(yīng)在相對(duì)濕度不大于3%的干燥房?jī)?nèi)進(jìn)行。首先，將正極料二硫化鈷負(fù)極料鋰硅合金粉以及隔膜料，通過(guò)壓片模將三者壓制成復(fù)合片。再用同樣的方式將加熱粉壓制為加熱片。接著按一定的疊裝方式將加熱片、復(fù)合片、集流片等裝配成15//15的電池堆，最后在電池堆外裹上石棉紙、云母帶等保溫材料，并用纖維帶對(duì)其進(jìn)行固定。將包裹好的電池堆裝入不銹鋼金屬殼內(nèi)，通過(guò)焊接的方式對(duì)其進(jìn)行密封，制成試驗(yàn)所用的熱電池。

1.3 熱電池的物理性能檢測(cè)

本次試驗(yàn)對(duì)熱電池的性能進(jìn)行檢測(cè)方式如下：將熱電池放在高低溫箱內(nèi)，將溫度設(shè)置為預(yù)期試驗(yàn)溫度，保溫6h。6h過(guò)后進(jìn)行高低溫放電試驗(yàn)，其放電時(shí)序?yàn)椋侯~定電流10A，100s后加載5個(gè)30A/200ms的脈沖，要對(duì)電壓值進(jìn)行準(zhǔn)確記錄，反映熱電池的具體性能。

2 采用二硫化鈷制備高功率熱電池性能測(cè)試的分析

2.1 熱電池的外表與粒度形式

利用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察，通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，顆粒外表會(huì)呈現(xiàn)出坑坑洼洼的特點(diǎn)，并且會(huì)存在大量的孔道構(gòu)造，這一結(jié)構(gòu)擴(kuò)大了熱電池中電解質(zhì)的觸碰面積，也降低了電流的密度，使放電水平得到了提高。通過(guò)估算，這種多孔構(gòu)造的二硫化鈷結(jié)構(gòu)的堆積密度在（1.09～1.12）g/cm3之間，與通過(guò)自然堆積法測(cè)量出的密度相比，要小很多。

2.2 灼燒失重

通過(guò)灼燒失重法對(duì)二硫化鈷進(jìn)行測(cè)定，該試驗(yàn)需在620℃氮?dú)獗Ｗo(hù)下進(jìn)行，結(jié)果顯示其灼燒失重率僅為0.105%，表明在620℃下，二硫化鈷分解量較小，二硫化鈷具有不錯(cuò)的熱穩(wěn)定性，能夠減少熱電池在被激活后，溫度驟升引起硫化物正極的分解，同時(shí)，也提高了其在應(yīng)用過(guò)程中的安全性，這在一定程度上拓寬了熱電池的工作區(qū)間。

2.3 內(nèi)阻測(cè)試

利用二硫化鐵和二硫化鈷正極分別制作單體電池，并且裝配熱電池，完成相應(yīng)的作業(yè)后，開(kāi)展高低溫電池性能試驗(yàn)，對(duì)電池的放電初期和后期的內(nèi)阻情況進(jìn)行考察，具體考察結(jié)果如表1所示。

通過(guò)表1中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在相同條件下，二硫化鈷的內(nèi)阻與二硫化鐵相比內(nèi)阻更低，分析其原因如下：

①二硫化鐵自身是一種半導(dǎo)體材料，而二硫化鈷具有電子導(dǎo)電性，從理論上來(lái)說(shuō)，其電阻率為0.002Ω·cm，其要遠(yuǎn)低于17.7Ω·cm，利于降低二硫化鈷這估計(jì)材料在實(shí)際工作過(guò)程中的歐姆極化;②二硫化鐵和二硫化鈷都是立方晶型，但是二硫化鐵晶粒相對(duì)較大，結(jié)構(gòu)較規(guī)則，表面積相對(duì)較小，而二硫化鈷多數(shù)都為人合成的，其表面積較大，因此，在負(fù)載相同的情況下，二硫化鈷正極的陰極極化電流的密度較小，這也就造成了電化學(xué)極化點(diǎn)處于一個(gè)相對(duì)較低的狀態(tài);③因?yàn)殇囯x子會(huì)參與到電極反應(yīng)中，而在正晶格間鋰離子會(huì)呈現(xiàn)出不同的擴(kuò)散速度，同時(shí)，電解質(zhì)接觸界面上溶解度呈現(xiàn)出的差異性也會(huì)對(duì)陰極極化造成對(duì)應(yīng)影響。

由此可見(jiàn)，二硫化鈷正極材料適合應(yīng)用在高比功率、高比能量的熱電池研制中，在應(yīng)用中其優(yōu)勢(shì)十分明顯，因此，在日后高功率熱電池的研制過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)二硫化鈷的研究工作，使其性能特點(diǎn)可以得到充分發(fā)揮，提高電池性能。

3 結(jié)束語(yǔ)

高功率熱電池用二硫化鈷制備及性能測(cè)試可以熱電池的物理性能檢測(cè)、熱電池的外表與粒度形式、灼燒失重、內(nèi)阻測(cè)試等多個(gè)方面入手，從而使熱電池的性能可以得到進(jìn)一步提升，滿足應(yīng)用需求，促進(jìn)相關(guān)行業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]李靜.固體氧化物燃料電池電解質(zhì)制備方法的研究[J].廣州化工，2017，45（14）：23-24+27.