基于热电池的安全性设计策略分析

基于热电池的安全性设计策略分析

何永浩

贵州梅岭电源有限公司 贵州省遵义市 563000

摘要：随着技术创新发展，用电设备对电源需求越来越苛刻，对热电池提出了更高的要求，热电池安全性能是保证其正常使用的决定性因素，对安全性设计应予以充分重视。本文以对热电池安全性影响因素为切入点，分析了基于热电池的有效安全性设计策略。

关键词：热电池；安全性；电化学体系；隔离壳体

前言

热电池又称为熔盐电池，属于高温电池，热电池安全问题一直被受关注，频频出现的安全问题使得热电池发展受到了一定制约。热电池激活后发生安全性问题，如正负极短路、热失控等，一方面会导致无机熔融盐外溢，对人员或设备造成安全性影响，另一方面会导致放电能力的缩短，提前结束放电。因此热电池安全性设计相当重要，本文基于热电池安全性影响因素，对安全性设计策略进行分析，为热电池研制和生产提供参考依据，提升热电池安全性能。
一、热电池安全性影响因素

热电池作为一种一次性热激活储备电源，以熔融盐作为电解质，利用热源使其熔化而激活的一次贮备电池。热电池在常温下电解质为不导电固体，在激活时通过发火头引燃电池堆内烟火热源，使得电池内部温度急剧增高，从而使得电解质熔融成为高电导率的离子导体，从而激活热电池。可靠系数高、响应速度快、能够长时间存储、应用便捷且无需维修维护是其显著特征，但是当其出现短路和热失控等问题时则会导致其使用性能大打折扣，甚至引发安全事故。对热电池安全性产生影响的因素较多，最重要的影响因素包括电解质体系、绝缘设计以及热量设计、保温设计等。传统上热电池的理想化工作温区在313℃-436℃范围内，当处于理想温度时，其熔融状态会稳定，使得其内阻降低，利于电池内部的电化学反应，当挑选的电解质体系与设计热量不匹配，使得其设计热量处于过高值，会导致热量迅速聚集，副反应急剧发生，单体电池中渗出熔融电解质导致局部短路，造成热电池故障。热电池的壳体与其他结构件需保持电池堆稳定和承载外部力学强度，当其设计不恰当，也会导致热电池受到不良影响。同时电堆结构与电池外部线路也会影响热电池绝缘电阻值，薄弱的绝缘设计则会导致电池产生击穿，引发热电池安全问题。
二、基于热电池的有效安全性设计策略
（一）电化学体系选择

根据技术要求，如工作电压、工作电流、激活时间等，进行热电池电化学体系选择，，常规使用的热电池正极材料为FeS2和CoS2，负极材料为LiSi和LiB，电解质为LiCl-KCl和LiF-LiCl-LiBr等。应充分考虑热电池技术要求，进行容量设计、热量设计、尺寸设计等，才能选取出最为恰当的电化学体系方案。热电池正极材料FeS2的热分解温度在550℃，设计时控制热量，热量设计需更合理，CoS2热分解温度在650℃，具有更好的热稳定性，可适当提高电池整体热值。负极材料LiB热分解温度在800℃，锂含量更高，在某些大电池应用上具有明显优势；LiSi负极锂含量较低，可用于某些短时间小电流热电池。针对热电池电解质LiCl-KCl工作温度在350℃，适用于长放电时间、高峰值电压、高温、低电流的放电条件。然而，它不能应用于大电流和长期放电的热电池中，因大电流放电过程中其阴极易J相，引起严重的电极极化问题，正极利用率被干扰；其二为三元全锂氯化锂-溴化锂-氟化锂体系，该体系具有较高的熔点和放电容量，因此能够更好地满足大电流、大功率的放电要求，它对放电环境有严格的要求，不适合在长寿命热电池中使用。根据热电池电化学体系选择

（二）合理进行绝缘设计

绝缘性问题是热电池安全性设计中的突出问题，热电池工作时，容易因高温下的绝缘下降导致发生短路。往往造成短路故障的主要位置为单元电池内的，避免正负极短路而损害热电池的内部其他零部件，所以需特别设计热电池包裹层和用于与金属隔离的云母。对于包裹层的设计，为了能够进一步强化其安全性能，则选择采取多层隔离设计方式，在电池内部设计多层次隔离材料，不仅可以对电池起到绝缘和保温的作用，还能对溢出的化学物质进行吸附。电池外则为金属材料，能够全面牢固包裹单元电池，保护电池堆使其在各种环境下能够进行正常工作。因电池需要使用金属进行导流，因而需要使用一定有效隔离，通常使用绝缘性能好耐热强度又高的云母进行绝缘，防止其出现接触或碰撞而导致短路问题。然后是电池堆的绝缘设计，电池堆是电池工作的核心，必须保障其工作时的绝缘性能。设计中在电池端部增大绝缘强度，防止电压击穿，同时在需要隔断的导体之间采用防导电处理和绝缘隔离等措施，以防止电池堆内部出现回路。

其次，因为电池堆需要固定，如果电池电压较高，通常会将上下端的固定板改为非金属的高硅氧材料，减少到点金属。同时为了固定电堆通常会用到钢带，钢带也是电池内部少数的导电金属，钢带有可能会在电池激活之后形成潜在通路，使得电池被击穿。在必要时，可将钢带进行打断，使其无法形成电压较高的潜在通路，或者直接使用非金属固定方法对其进行固定。

对于电池堆外的绝缘，首先会将裸露在外的极柱进行封胶处理，不仅能够防潮、固定导线，也能起到重要的绝缘作用，避免相互搭接，以提高电池使用时的安全性。

（三）做好热电池热量与保温设计

做好热电池热容量设计与保温设计是提升热电池安全性的关键，设计热电池热容量需遵循相应原则，当热体系处于运行状态下时，其所向外释放出的热量要能够保证电池的内部温度可长时间保持在电池正常工作范围下，热电池热容量要匹配于电容量。当热电池的电流密度较小时，则应该降低电池热量。同时，当热电池的类型是中长期寿命时，热容量设计则需要牺牲一部分电容量来换取更多的热容量，从而进一步提高热电池的整体性能。在设计热电池的热容量时，有必要借助于热比系数来科学地测量热设计情况，热比系数处于峰值，容易出现内部热失控问题；如果系数过低，将阻碍热电池的应用性能。因此，热比系数需要控制在安全范围内。同时，环境也是影响热比系数的关键因素。当工作温度低时，将会提高热比系数，以提高其在低温时的工作性能；同时在工作温度较高时，通常需要降低热比系数，使得电池高温空载时能够安全。

热电池安全性设计不可忽视保温设计，尤其是电堆周围保温设计，电堆处于工作状态下时，其温度要一直保持在规定区间内，防止其温度过高而干扰热电池整体性能[1]。开展保温设计，应立足于热电池的实际应用情况，围绕热电池运行时间挑选出满足实际情况的材料，材料厚度可匹配于保温需求。热电池保温设计的过程中还需关注散热问题，以免因散热不及时导致内部温度升高，出现热失控问题，当前热电池主要所应用的保温材料为气凝胶隔热纸、纤维毡、石棉纸、云母带等同时具有耐高温和绝缘的材料。当热电池工作时间较长，则通常选择如气凝胶隔热纸等保温效果较好的隔热材料，反之，则选择云母带等散热效果较好的隔离材料。
三、结论

对于热电池的安全性设计应立足于其具体种类以及使用场景条件来全方位考虑多方影响因素，提高安全性设计合理性，其设计要点应当围绕在科学挑选电化学体系、合理进行绝缘设计以及做好热电池热量与保温设计几方面，保障热电池安全性能过关，最大程度上规避其在实际应用过程中出现安全问题。
参考文献：

y[1]段其智,孟剑,罗莉,等.热电池的安全性设计策略研究[J].当代化工研究,2019,(07):60-61.