一种温度可调节的热电池电解质及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于电化学领域，具体涉及一种温度可调节的热电池电解质及其制备方法和应用。

背景技术

热(热激活)电池是一种重要的储备电池。贮存时电解质为不导电的固体，使用时引燃其内部的加热药剂，使电解质熔融成为离子导体而被激活。热电池由于具有较高的比能量和比功率，贮存时间长，并且能在各种恶劣的环境下正常工作，因此可以在导弹、火箭等领域中作为供电电源，在非军事装备如飞机应急电源、地下高温探矿电源中也有较为广泛的应用。

然而常见的卤化盐所组成的共融盐的熔点较高，使得电池的激活温度和工作温度大多在400℃以上，这种高的激活温度和工作温度给电池的成本、电化学性能以及安全方面带来了很多不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种温度可调节的热电池电解质及其制备方法和应用，解决现有技术存在的热电池热激活温度和工作温度过高的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一在于提供一种温度可调节的热电池电解质：所述电解质为金属盐和聚合物或有机物组成的混合物；所述聚合物或有机物在常温下为固态，在300℃以下加热条件下能够从固相转变为液相；所述金属盐可溶于熔融状态的所述聚合物或有机物中。

在推荐的实施方式中，所述的金属盐和聚合物或有机物组成的混合物固态时没有离子电导。

在推荐的实施方式中，所述的金属盐为锂盐、镁盐和钾盐中的一种。

在推荐的实施方式中，所述的金属盐为LiCl、LiI、LiF、LiBr、LiNO

在推荐的实施方式中，所述的聚合物为PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚四氟乙烯、聚异丁烯、聚磷酸酯、聚氯乙烯、聚酰亚胺聚、聚偏二氯乙烯、局对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚甲基戊烯、聚甲基丙烯酸甲酯聚乙烯醇缩丁醛酯(PVB)、聚氨酯(PU)、聚醚砜中的一种。

在推荐的实施方式中，所述的有机物为酸乙烯酯(EC)、石蜡、苯酚中的一种。

一种温度可调节的热电池，包括以上任一项所述的热电池电解质。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二在于提供一种温度可调节的热电池电解质的制备方法，包括如下步骤：

(1)将金属盐加入到熔融的聚合物或有机物中，均匀混合后经冷却制得含金属盐的混合物；

(2)将上述制得的混合物溶解于有机溶剂中或加热到熔融状态后置于模具中；

(3)对步骤(2)中经溶解处理后的混合物，去除溶剂后脱模得到固态电解质膜；对步骤(2)中经加热熔融处理后的混合物，压制成型，冷却后脱模得到电解质膜。

在推荐的实施方式中，所述步骤(2)中模具为聚四氟乙烯模具。

在推荐的实施方式中，所述步骤(3)中压制成型采用5-20MPa的压力。

本发明具有如下有益效果：

1.室温下，该电解质为固相没有离子电导，电池不能发生自放电，有利于电池的贮存；加热后聚合物或有机物从固相转变为液相，金属盐溶于熔融状态的聚合物或有机物中，从而实现内部的离子导通，电池被激活实现正常放电。

2.聚合物的熔点可以由分子量调节，因此含有聚合物的电解质所组成的热激活电池的激活温度可以实现连续可调；

3.熔点在200℃以下的聚合物种类多，可以通过换不同种类的聚合物实现热电池的较低温度的激活以及实现电池在200℃以下工作。

附图说明

图1为该电解质热激活机理的示意图。

图2为实施例8中PVDF的热分析图。

具体实施方式

下面将通过实施例对本发明进行更详细的描述。在下述的具体实施例描述中，给出了大量具体的细节以便于更为深刻的理解本发明，然而本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

实施例1

制备温度可调节的热激活电池有机电解质：将LiDFOB加入到熔融的PVDF中均匀混合，冷却制得浓度为1mol/L的LiDFOB/PVDF混合物；在得到的混合物中加入其质量的9倍的溶剂NMP(N-甲基吡咯烷酮)，使混合物溶解于NMP，所得溶液浇筑在方形的聚四氟乙烯模具中，再将模具转移到80℃的真空烘箱中去除NMP，脱模得到电解质膜，最后将电解质膜裁成电池用的大小。

实施例2

制备温度可调节的热激活电池有机电解质：将LiTFSi加入到熔融的PMMA中均匀混合，制得浓度为1mol/l的LiTFSi/PMMA混合物；将得到的混合物中加入其质量9倍的丙酮，所得溶液浇筑在方形的聚四氟乙烯模具中，再将模具转移到80℃的真空烘箱中去除丙酮，脱模得到电解质膜，最后将电解质膜裁成电池用的大小。

实施例3

制备温度可调节的热激活电池有机电解质：将LiTFSi加入到熔融的PE中均匀混合，冷却制得浓度为1mol/l的LiTFSi/PE混合物备用；将混合物加热到200℃并保温使混合物呈熔融态，再将所得的熔融态下的混合物浇筑在方形的聚四氟乙烯模具中，并用10MPa的压力压制成型，冷却后脱模得到电解质膜，最后将电解质膜裁成电池用的大小。

实施例4

一种电导率测试装置，两钢片之间夹有实施例1中所得的电解质膜，将该测试装置置于烘箱中，以5℃/min的速率升温到180℃，测试不同温度下的新电解质体系的电导率，结果如表1所示。从表1可以看出从常温到150℃均未测出电导率，当温度升高到PVDF的熔点以上时，PVDF发生从固相到液相的转变从而呈现熔融态，LiDFOB溶于熔融态的PVDF中，离子电导接通，从而能够测出电导率。

表1实施例4中电解质在不同温度下的电导率

实施例5

一种热激活电池，正极材料主要为V

表2实施例5中热激活电池在不同温度下的开路电压

一种热激活电池，正极材料主要为V

表3实施例6中热激活电池在不同温度下的开路电压

实施例7

一种热激活电池，正极材料主要为V

表4实施例7中热激活电池在不同温度下的开路电压

从表2、表3和表4可以看出，以上体系均能实现常温电池处于未激活状态不显示电压，在聚合物相变温度以上电池被激活，开始显示正常电压；并且不同的体系有着不一样的激活温度，实施例中的电解质激活温度均在200℃以下。

实施例8

一种热激活电池，正极材料主要为FeS

实施例9

取实施例1中所用到的PVDF做热分析，其结果如图2所示。从图2的热分析图可以看出PVDF的熔点(相变温度)在159℃，其在室温下处于不导离子的固体状态，温度高于熔点时熔化成为液态。

表5为本发明中用于溶金属盐的几种聚合物的熔点范围，不同聚合物的熔点(相变温度)不一样，因此该含有该聚合物的电解质体系可以通过变更聚合物的种类来灵活调节电池的激活温度和工作温度。

表5不同聚合物的熔点范围

以上所述，仅作为说明的目的，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的修改，皆应仍属本发明涵盖的范围内。