[發明專利]一種熱電池用LFP型單體電池

有效

• 申請號: 202011273279.2
• 申請日: 2020-11-13
• 公開（公告）號: CN112490401B
• 公開（公告）日: 2022-03-08
• 發明（設計）人: 羅重霄;葉丹宏;韓婷婷;朱明;姜義田;高文秀;劉凱特;劉克凡
• 申請（專利權）人: 上海空間電源研究所
• 主分類號: H01M4/06
• 分類號: H01M4/06;H01M4/08;H01M4/58;H01M6/36
• 代理公司: 上海航天局專利中心 31107
• 代理人: 余岢

本發明公開了一種熱電池用LFP型單體電池，將LiFePO₄作為熱電池的正極材料，在高溫環境下對單體電池進行充電，在充電結束并冷卻后，得到了一種耐高溫的高電位貧鋰態Li_xFe_1?xPO₄熱電池用正極材料。本發明采用的單體電池充電方式利用了LiFePO₄在高溫下電壓平臺變為曲線的特性，可依據所選電解質的不同，通過控制材料的充電程度對電壓進行無級調節，解決了高壓正極材料與熔融鹽電解質的匹配性問題。本發明提供的LiFePO₄及其貧鋰態Li_xFe_1?xPO₄正極材料的耐熱溫度超過800℃，遠遠高于傳統熱電池正極材料(FeS₂約為500℃，CoS₂約為600℃)，因此其組裝的單體電池可通過提高工作溫度的辦法提升輸出功率，同時耐熱溫度的提高進一步增強了熱電池的安全可靠性。

技術領域

本發明屬于熱電池技術領域，具體涉及一種熱電池用LFP型單體電池。

背景技術

熱電池是用電池本身的加熱系統把不導電的固體狀態鹽類電解質加熱熔融呈低阻離子型導體后進入工作狀態的一次貯備電池，因其輸出功率高、激活時間短、貯存期間無需維護等特點，成為了最重要的武器配套電源產品。目前，熱電池常用的正極材料為FeS₂、CoS₂或其衍生復合物，還有一些如NiCl₂、FeF₃、CuO、VO₂、V₂O₅的新型正極材料還基本處于實驗室研發階段，尚未在實際產品中得到大規模應用。

相較受到廣泛關注的鋰離子電池來說，熱電池作為一種特殊的原電池，其電極材料的研究廣度與深度都極為有限，因此鋰離子電池領域開發的新型正極材料應用于熱電池的研究也尚未有公開報道出現。另一方面，鋰離子電池常用的正極材料無法在熱電池體系中直接使用，原因在于：1)鋰離子電池正極材料為富鋰態，需脫鋰后才可與金屬鋰發生電化學反應；2)鋰離子電池正極材料的全脫鋰態因為結構活性、熱穩定性等原因，不能滿足熱電池的放電需要；3)受熔融鹽電解質分解電壓的限制，正極材料電極電位(vs.Li)需與熔融鹽類型進行匹配。另一方面，目前僅有的少量關于脫鋰態正極材料研究的報道還集中在常規低溫鋰一次電池領域，如莫俊林等人提供了一種脫鋰態LiCoO₂正極材料的制備方法(船電技術，2017，37(4):34)，但該種材料的耐熱溫度不超過300℃，且平均電壓超過3.7V，基本不可能滿足熱電池工作溫度和熔融鹽選擇的要求。

發明內容

本發明的目的在于提供一種熱電池用LFP型單體電池，將LiFePO₄作為熱電池的正極材料，在高溫環境下對單體電池進行充電，在充電結束并冷卻后，得到了一種耐高溫的高電位貧鋰態Li_xFe_1-xPO₄熱電池用正極材料。使用該正極材料組裝的單體電池電壓達到2.8-3.2V，工作溫度提升到750℃，極大提升了熱電池單體電池的功率特性和安全可靠性。

為了達到上述的目的，本發明提供一種熱電池用LFP型單體電池，包括：加熱片和經過預充電處理后的一體式正極片-隔離片-負極片，所述正極片中的電化學活性成分為貧鋰相Li_xFe_1-xPO₄。

上述一種熱電池用LFP型單體電池，其中，所述正極片的成分組成及質量分數如下：LiFePO₄的質量百分含量為70％，導電石墨的質量百分含量為10％，熔融鹽電解質的質量百分含量為20％。

上述一種熱電池用LFP型單體電池，其中，所述負極片的成分為LiB合金，且LiB合金中的鋰元素含量為50％-61％。