[发明专利]一种高电位大功率型热电池正极材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高电位大功率型热电池正极材料，按重量百分比由以下原料制成：复合高电位活性正极材料50％～95％、高离子导电率电解质4％～49.5％、高导电率电子导电剂0.5％～20％；所述复合高电位活性正极材料按重量百分比由5～95％的FeF₃和5～95％的FeF₂共同组成；所述高离子导电率电解质为LiF‑NaF‑LiCl或LiF‑KF‑LiCl共晶熔盐。本发明热电池正极材料能显著提高热电池正极的单体电位，电位能达到3.2V以上，显著降低高电压下的串联单体数，降低电池高度，不与高离子导电率电解质互溶，且具备优异的大功率脉冲承载能力、快速反应的特性、大功率带载和快速激活能力。

技术领域

本发明属于热电池技术领域，尤其涉及一种高电位大功率型热电池正极材料及其制备方法。

背景技术

在各种温度、气候和动态环境中，热电池均具有长达20年且免维护的保质期，因其所采用的熔盐电解质的离子导电率超越常规锂离子电池电解液多个数量级，故其能提供大功率输出性能，保障供电设备的用电需求，是军事和航空航天用电设备电池的理想之选。

现有热电池体系以锂系负极为主，其包含锂硅合金和锂硼合金。锂硅合金对锂电位为157mV，而锂硼合金对锂电位仅为20mV，在选用同种正极材料的情况下，以锂硼合金做负极会比锂硅合金做负极的整体电动势高0.1V，由于锂硼合金能提供更高的反应电位，所以采用锂硼合金更适合大功率供电输出。但是因为武器设备向小型化、轻型化发展，大功率输出设备的使用频率越来越高，为保障线路安全，不能输出过大电流导致线路过热受损，故只能提高电池的电压以应对大功率供电需求。但是，高电压电池需要串联众多单体电池来搭建高电压平台，由于电化学体系电位较低，需要串联单体电池数越高，所以，现有LiB/CoS₂体系2.0V的电位和LiB/FeS₂电化学体系2.1V的电位已经不能保障设备大功率供电需求。而且，因为采用这类体系设计的电池高度过高，很难安装进武器设备中。

金属氟化物作为最重要的功能性无机材料之一，在催化剂、光学器件和磁性材料领域具有许多应用，它们具有高离子金属配位键和小的原子量，因此具有较大的理论容量和较高的放电电压。FeF₃虽然拥有超高的单片电位和超高的理论容量，但是其也存在诸多问题：首先，由于大能带间隙的金属氟化物的高离子性导致电绝缘行为，此外，LiF(转化反应的产物)是高度绝缘的，因此，基于转化反应的金属氟化物电极经常受到不良反应动力学的严重影响；其次，FeF₃是具有大能带间隙的绝缘体，并且用导电剂研磨形成复合材料的方式基本上不会明显改善材料本身的导电性，因此电子在活性材料中的传输几乎是不可能，此外，众所周知，当导体与半导体，特别是绝缘体接触时，有时会形成一种名为肖特基接触的现象，以阻碍电子的运动，所以，要想将FeF₃成功应用于高电压大功率热电池中，除了已具备优异的单片电位外，还必须令其具备出色的导电能力。

在过去的研究中，在降低电池高度上，专利申请US8313853B2提出了一种陶瓷隔膜制备方式，但其只能降低隔膜厚度，不能明显降低电池整体高度。专利申请CN108963291提出了一种电极系统与加热系统独立的薄型热电池，其采用导热绝缘材料将传统电池的加热材料从电堆中分离，显著降低了电池整体高度，但并没有改变正极材料的电位，在应对大功率脉冲输出上显得乏力。若从源头上改变正极材料的电极电位，将使上述两类专利提供更强劲的使用性能。