[发明专利]电解质材料、热电池组件和用于中等温度应用的热电池

说明书

技术领域

本发明的领域通常涉及用于热电池中的电极材料。本发明也涉及包含电解质材料的电极和电解质的复合物以及包含该电解质材料的电池和/或包含该电解质材料的阴极和/或阳极。

背景技术

热电池往往具有相对长的保存期(shelf life)、高的能量密度，要求相对低的维护成本并且能承受相对高的温度。热电池也往往在相对短的时间周期提供短的功率突发。该突发可在少于秒至小时或更大的范围内，功率典型地在约瓦或更小至千瓦的范围内。这样的特性使得热电池适用于军事(例如用于导弹制导系统的电池)和空间探测的应用。热电池也可用于其它的应用中，例如电动车中。

典型的热电池包含阳极、阴极、包含在室温下不导电的固体电解质的电解质-隔板(electrolyte-separator)以及提供热源至该电池的烟火材料(pyrotechnic material)(例如加热薄片(heat pellet)，其可包含例如Fe-KClO₄粉末)。当需要电池操作时，外部激励施加至电池。例如，电流可施加至电池以启动电匹配(electric match)或电活性点火，或者可施加机械力(例如机械冲击)以启动震动引火(concussion primer)。外部激励导致烟火材料引燃并开始发热。从烟火材料产生的热导致之前的固体电解质熔化并变成导电的，其使得电池为期望的应用提供功率。

热电池的阳极通常由碱金属或碱土金属或合金形成。典型的阳极包含锂金属或锂合金，例如锂铝、锂硅或锂硼。

与热电池一起使用的电解质通常包含氯化锂和氯化钾以及粘合剂(例如MgO、热解法二氧化硅或高岭土)的共晶混合物(即在低于单独组分的每一个的温度下熔化的混合物)，其有助于在熔化时通过例如毛细作用、表面张力或这二者将电解质包含在热电池组件内。使用典型的热电池电解质，粘合剂阻止电解质材料分散在整个电池中，分散将导致电池中不期望的旁路或短路。不幸地，粘合剂材料往往对离子传导具有相对大的抵抗性且由此包含粘合剂可增加电池的阻抗。

用于热电池的阴极材料可根据各种设计参数的不同而变化并通常包含金属氧化物或金属硫化物。作为实例，氧化铁(Fe₃O₄)、二硫化铁(FeS₂)或二硫化钴(CoS₂)通常用作阴极材料。

通常使用压片技术形成热电池，以便电解质、阴极和热源的每一个都形成为晶片。在这种情形下，各个电池组件的化学物质被处理成粉末且该粉末被挤压在一起以形成晶片(或薄片)。每一个组件可形成为离散部件，或阳极和/或阴极可包含(例如充满)电解质材料以改进该组件的导电性。阳极和阴极中的电解质材料可包含或可不包含粘合剂材料。

热电池可由单个堆叠电池串组成或者两个或更多的堆叠电池串的平行堆叠组成。电池堆叠可尽可能完全绝缘地放置在容器中，容器可由不锈钢制成，且该容器例如通过焊接被密封以形成气密性密封件。可提供穿过标准玻璃至金属密封件的电连接。

氧化银锌(SOZ)电池通常包含Ag₂O或AgO阴极和Zn阳极。通常使用在SOZ电池中的电解质是KOH或NaOH的水溶液。SOZ电池具有高能量密度，允许柔性配置，具有优异的电压调整并且证明是安全和可靠的。然而，SOZ电池通常仅具有2至5年的保存期，且SOZ电池通常在低温操作，例如在4℃至70℃之间。因此，至少部分由于上述缺陷，SOZ化学物质未使用在热电池中。

存在对可靠的较低温度热电池材料的持续的需求。也存在对包含这些材料并显示出这些改进的性能的原电池，例如热电池的持续的需求。

发明内容

提供了用于包含其阴极和阳极的热电池的改进的电解质材料。通常，用作电解质-隔板中、阳极中和/或阴极中的电解质的KOH和NaOH的共晶配方(eutectic formulation)被提供以将SOZ电池的可靠性和性能带给热电池。

在一个方面，提供包含KOH和NaOH的共晶配方的电解质。该共晶配方可包含约57wt％的KOH和约43wt％的NaOH。

在另一个方面，提供包含KOH和NaOH的共晶配方的电解质-隔板。该共晶配方可包含约57wt％的KOH和约43wt％的NaOH。电解质-隔板可包含粘合剂，例如MgO。电解质-隔板可包含相对于电解质-隔板的全部重量约20wt％至约50wt％的粘合剂。