《储能材料与器件智能制造技术》课件-3.1.5 热电池

《储能材料与器件智能制造技术》热电池在导弹腾空而起的瞬间、深海探测器下潜的时刻、极地科考设备运行的过程中，有一种鲜为人知却至关重要的电池在默默提供能量——热电池。与常见的锂离子电池、碱性电池不同，热电池以独特的“热激活”方式工作，能在瞬间释放强大电能，适应极端温度、高冲击等恶劣环境，成为军事装备、航空航天等领域不可或缺的“能量心脏”。从硝烟弥漫的战场到探索未知的太空，热电池凭借其可靠的性能，为特殊场景下的设备运行提供坚实保障，展现着能源技术领域的独特魅力。热电池又称热激活储备电池，其内部结构也与一般的电池相似。但热电池贮存时电解质为不导电的固体，因此在贮备状态下电池不工作。电池工作时需用电发火头或撞针机构引燃其内部的加热药剂，使电解质快速加热至500℃左右熔融成为离子导体而激活电池。热电池包括：镁/五氧化二钒热电池，钙/硫酸铅热电池，LAN硫化物热电池，锂合金一硫化铁热电池。热电池结构如图所示。热电池是一种储备型一次性电池，其最大特点是平时处于“冷态”不工作，需要时通过激活装置产生热量，使电池内部的电解质由固态转变为离子导电性良好的液态，从而引发电化学反应产生电能。热电池的基本结构包含正极、负极、电解质、加热装置和外壳。正极材料多采用金属氧化物等，负极常用锂等活泼金属，电解质通常是熔融盐（如卤化物盐）。当激活指令下达，加热装置（一般由火药或电阻丝组成）迅速释放热量，将电解质加热至熔点以上，此时正负极材料在熔融电解质中发生氧化还原反应，电子通过外电路形成电流，为负载供电。整个激活过程极短，通常在毫秒到秒级，且能在短时间内提供大电流，满足设备的瞬时高功率需求。根据电解质类型和应用场景，热电池可分为多种类型。按电解质分类，主要有氯化物热电池和硫化物热电池。氯化物热电池工作温度一般在400-500℃，输出电压较为稳定，常用于导弹、鱼雷等武器装备；硫化物热电池工作温度更高，可达600-700℃，能量密度较大，适用于对电能需求较高的航空航天设备。热电池的显著优势在于其高可靠性与极端环境适应性。它能在-50℃至70℃的环境温度下长期储存，且储存期长达数年甚至数十年；激活后可在瞬间达到满功率输出，不受环境温度影响；同时具备出色的抗冲击、抗振动性能，可承受高达数千g的加速度冲击。但热电池也存在局限性，作为一次性电池，其电能耗尽后无法重复使用；且由于工作时需要加热，能量转换效率相对较低，部分热量会以热能形式散失。热电池属贮备型高温熔融盐一次电池，具有激活时间短、输出功率高、贮存时间长、可靠性高等特点，主要用于导弹、火箭、鱼雷等武器和军事装置方面。以导弹为例，从发射瞬间的制导系统启动、姿态控制，到飞行过程中的信号传输，都依赖热电池提供稳定电力。其快速激活和高功率输出特性，确保导弹在极短时间内完成发射准备并准确命中目标。在航空航天领域，热电池用于卫星的应急电源、空间探测器的启动电源等。例如，在深空探测任务中，面对外太空的超低温和复杂辐射环境，热电池能可靠工作，为探测器提供关键阶段的电能。此外，在石油勘探、深井探测等民用领域，热电池也发挥着重要作用。在数千米深的油井中，热电池可承受高温高压环境，为井下测量仪器供电，保障数据采集与传输。热电池目前常用的正极材料有FeS2、CoS2和NiCl2等。常用的负极材料有LiAl、LiSi和LiB合金等。热电池电解质熔盐要求密度小、黏度小，熔点低，蒸汽压低，离子导电能力大，电子导电能力小，分解电压高，对正负极无副反应且溶解腐蚀小，热稳定性好，对电极材料有良好的湿润性。目前常用的电解质材料有LiCl-KCl、LiCl-LiBr-LiF和LiCl-LiBr-KBr等热电池常用的加热剂是由Zr粉BaCrO4和石棉按照一定的比例制成的加热纸，具有工艺成熟，灵敏度高，燃速快等特点，缺点是对静电敏感，安全性差，燃烧后易变性；另外一种是活性铁粉和高氯酸钾按一定比例制成的铁加热粉，具有机械强度好性能稳定易成型导电性好等优点。为进一步提升热电池性能，科研人员在材料、结构和工艺方面不断探索创新。在材料研发上，致力于开发新型高能量密度电极材料和低熔点、高离子导电性的电解质，以提高电池的能量密度和工作效率；在结构设计方面，采用多层叠片式结构替代传统圆柱式结构，可有效提升电池的功率密度，并实现小型化、轻量化。同时，随着智能制造技术的发展，热电池的生产工艺正朝着自动化、精细化方向迈进，通过精确控制材料配比、加热装置性能等参数，提高产品的一致性和可靠性。此外，研究人员也在探索热电池的可重复使用技术，试图突破其一次性使用的局限，拓展应用场景。热电池，这颗在极端环境中闪耀的“能量之星”，凭借独特的工作方式和卓越的性能，在军事、航天等特殊领域发挥着不可替代的作用。从保障国家安全的武器装备，到探索宇宙奥秘的航天探测器，它以可靠的能量供应守护着每一项重要使命。尽管面临着效率与复用性等挑战，但随着技术