电解质体系对FeS2/LiSi热电池激活时间的影响研究

康 博，邢永慧，赵亚旭，曹军记，林海波

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.吉林大学化学学院，吉林长春 130012)

电解质体系对FeS2/LiSi热电池激活时间的影响研究

康 博1,2，邢永慧1，赵亚旭1，曹军记1，林海波2

(1.中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384；2.吉林大学化学学院，吉林长春 130012)

采用空载和带载两种放电方式，研究了热电池常用的二元和三元全锂电解质体系对FeS2/LiSi热电池激活时间的影响。实验结果表明：空载放电时，二元电解质激活时间短；带载放电时，三元全锂电解质激活时间短。

电解质；FeS2/LiSi热电池；激活时间

热电池是用其本身的加热系统把不导电的固体状态盐类电解质加热熔融呈离子型导体而进入工作状态的一种热激活储备电池。它具有激活迅速，贮存时间长，耐苛刻力学和环境温度，以及免维护等优点，被广泛应用于武器装备系统。

激活时间是热电池重要的性能参数，一般为零点几秒，甚至几十毫秒。所谓激活时间就是从输入激活信号开始到电池的工作电压达到规定的下限值所需要的时间[1]。由激活时间的定义可知它与点火部件的反应速度、电解质的熔点和熔化热、电解质的电导率、单体电池和集流片组件的厚度、电池热量输入等因素相关。其中，点火部件的反应速度由点火头或火帽决定，一般为几毫秒至几十毫秒[2]。Eagle Picher Technologies (EPT)一直从事中孔结构电池的激活模拟研究，以辅助热电池设计工作。在热电池相关项目中开展过电池部件厚度和热量输入对激活时间的影响，以满足不断提升的装备反应速度对热电池激活时间的需求。

鉴于先前研究基础[3]，为全面开展热电池激活时间研究，本文以两种热电池常用的电解质体系为研究对象，开展电解质体系的熔点和熔化热、电导率对激活时间影响，为热电池设计奠定基础。

1 实验

1.1 电池制备

分别采用二元和三元全锂电解质制备FeS2/LiSi热电池各6只，单体电池直径为32 mm，电堆中单体电池数量为15片。12只电池其他参数指标均一致，分别标识为KE1，KE2，KE3，DE1，DE2和DE3，KS1，KS2，KS3，DS1，DS2和DS3，其中K、E、D和S分别代表空载、二元电解质、带载和三元全锂电解质。

1.2 性能测试

电池放电采用电池测试系统进行。该测试系统由计算机、USB/GBIP界面、N3300电子负载器、6653A直流电源和可编程的微控制器(Agilent VEE Pro.Version:7.51.7801.0)组成，如图1所示[4]。数据由便携式的数据记录仪(Model:1-GEN2i-2, Made by HBM in Germany)采集。

图1 电池测试系统

2 结果与讨论

2.1 电解质性能参数

本文采用热电池常用的二元和三元全锂电解质体系，二元电解质由44.00%LiCl-56.00%KCl二元共晶盐和氧化镁按一定比例烧制而成，其熔点为352℃，500℃电导率为1.00 S/cm；三元全锂电解质由9.56%LiF-22.00%LiCl-68.34%LiBr三元全锂共晶盐和氧化镁按一定比例(该比例与二元电解质相同)烧制而成，其熔点为436℃，500℃电导率为1.89 S/cm，详见表1。

表1 电解质的主要成分及性能参数[5]

2.2 不同电解质体系热电池的激活时间对比分析

为了考察放电方式对不同电解质体系的FeS2/LiSi热电池激活时间影响，采用空载和带载两种放电方式分别对12只电池进行放电实验，采集放电电压对时间的数据。

2.2.1 空载放电激活时间对比分析

分别对二元和三元全锂电解质体系电池进行空载放电实验，其放电曲线如图2所示。

图2 电池空载放电曲线

两种不同电解质体系电池空载放电激活时间结果统计如表2所示。空载放电时，采用二元电解质体系的FeS2/LiSi热电池激活时间为0.22 s，而采用三元电解质体系的FeS2/LiSi热电池激活时间为0.29 s。

表2 空载放电激活时间对比

实验结果表明：空载放电方式下，对于FeS2/LiSi热电池，采用二元比三元全锂电解质体系激活时间短。这是由于二元电解质的熔点较三元全锂电解质低近100℃，其熔化热较三元全锂电解质高10～20 J/g。电池的点火部件被启动后，其加热系统被迅速引燃后发生剧烈的氧化还原反应并释放热量。同时，热量以对流、扩散和辐射等方式传至电解质。电解质吸收热量，温度上升，直至吸收足够的热量，使其温度达到熔点，电解质中的共晶盐开始熔融呈离子导体。此时，电池正负极活性物质发生氧化还原反应，并输出电压。因此，当其他条件均一致的情况下，空载放电时，采用二元电解质电池的激活时间较短。

2.2.2 带载放电激活时间对比分析

分别对二元和三元全锂电解质体系电池进行带载放电实验，放电电流密度为500 mA/cm2，其放电曲线如图3所示。

两种不同电解质体系电池带载放电激活时间结果统计如表3所示，带载放电时，采用二元电解质体系的FeS2/LiSi热电池激活时间为0.44 s，而采用三元电解质体系的FeS2/LiSi热电池激活时间为0.37 s。

图3 电池带载放电曲线

表3 带载放电激活时间对比

实验结果表明：带载放电方式下，对于FeS2/LiSi热电池，采用三元全锂比二元电解质体系激活时间短。这是由于带载放电时，有电流通过电池，电池正负极活性物质在发生氧化还原反应建立电压的同时，电池内部也在发生极化。三元全锂电解质的电导率较二元电解质电导率大近1倍，电池被激活后，二元电解质体系电池因电解质熔点较低(352℃)首先开始输出电压，随放电时间的增大输出电压缓慢上升，而三元全锂电解质体系电池则相反，输出电压随放电时间的延长迅速上升至工作电压下限。因此，当其他条件均一致的情况下，带载放电时，采用三元全锂电解质电池的激活时间较短。

3 结论

采用熔融盐作为电解质的热电池，其激活时间与电解质的熔点和电导率两方面因素相关。二元电解质(共晶盐组成为44.00%LiCl-56.00%KCl)受熔点影响空载激活快，而三元全锂电解质(共晶盐组成为9.56%LiF-22.00%LiCl-68.34%LiBr)受熔点和电导率两方面因素综合作用，带载激活快。

[1]陆瑞生.热电池[M].北京：国防工业出版社，2005：82.

[2]GUIDOTTI R A,REINHARDT F W.Evaluation of Alternative Electrolytes for use in Li(Si)/FeS2Thermal Batteries[C]//Proceeding of the 33th Power Sources Conference Symposia.Cherry Hill,New Jersey:The Electrochemical Society Inc,1998:369-376.

[3]种晋，董静，张云霞，等.两种常用电解质体系的LiB/FeS2热电池性能的差异及其影响机理的研究[J].中国电子科学研究院学报，2007(4)：365-370.

[4]董程林.热电池自动测试系统开发研究[D].天津：南开大学，2008:32.

[5]GUIDOTTI R A,MASSET P.Thermally activated(“thermal”)battery technology Part I:An overview[J].Journal of Power Sources, 2006,161:1443-1449.

Study on effect of electrolyte systems on activation time of FeS2/LiSi thermal battery

The effect of electrolyte systems on the activation time in FeS2/LiSi thermal battery was studied.The batteries were discharged in two different modes of with and without load.The results indicate that the activation time is short for FeS2/LiSi thermal battery with two-component electrolyte,and which is discharged without load;the activation time was short for FeS2/LiSi thermal battery with three-component electrolyte,and was discharged with load.

electrolyte;FeS2/LiSi thermal battery;activation time

TM 911

A

1002-087 X(2015)10-2153-02

2015-03-22

康博(1980—)，女，吉林省人，硕士，主要研究方向为电化学。