热电池主要技术及关键技术分析

热电池是一种一次性备用电源，在备用状态下没有能量输出。加热元件被激活系统点燃产生热量，使热电池内部温度迅速上升至500℃左右。电解液熔化成液态导电状态并输出电能，为武器系统的电气设备供电。

具有激活时间短、输出功率大、工作温度范围广（-50℃～70℃）、贮存时间长、抗机械环境能力强、可靠性高等优点，广泛应用于核武器、导弹、鱼雷火炮等领域。热电池设计的主要技术是基于设计原理和方法，最终体现在具体的产品上，产品由零件和化学材料组成。

热电池设计原理与方法

热电池的设计原则是：在满足武器系统要求和技术指标的前提下，充分参考成熟的技术工艺和结构；充分发挥标准化在产品开发过程中的导向和保障作用；充分利用现有标准件 通用件，低成本设计。热电池的设计方法是：（1）根据结构尺寸性能指标和使用条件等，对活化方式、电化学体系、电性能、保温和结构等进行设计计算，形成初步设计方案；(2)进行机械环境适应性和性能验证试验，结构工艺参数的微调和优化；

热电池设计

组成结构

热电池主要由壳盖、接线柱、电堆激活系统、绝缘材料等几部分组成，其中外壳和盖板采用金属材料加工而成，主要容纳电堆激活的绝缘材料系统。电堆是热电池的核心部件，主要由若干个单独的电池加热器、集流器绝缘垫和绝缘元件组装而成。

电化学反应都在这里进行，活化系统用于热电池的活化。保温材料主要用于延缓热量散失，维持热电池工作时的温度环境。

 

激活方式

热电池的激活方式按信号特征分为机械信号和电信号。机械激活法是利用过载冲击法产生力点燃瓶盖等烟火，点燃加热板激活热电池。

优点是利用系统本身的过载来产生力，缺点是使用前无法检测。电信号激活方式是利用外部电信号使电点火头点火并点燃加热板来激活热电池。具有结构简单、功能可靠、检测方便等特点。

是热电池激活的首选。在设计中，可以根据系统提供的信号特性，选择合适的激活方式。图2是机械、电信号激活的热电池产品。

电化学系统

目前常用的正极材料有FeS2、CoS2和NiCl2。FeS2材料具有放电时间长、容量大、稳定性好等特点，广泛应用于不同规格的热电池。CoS2材料导电性好，极化小，热稳定性比FeS2高，更适用于高比能热电池。

 

NiCl2材料是一种高电位材料，负载能力强，热稳定性好，适用于大功率热电池。常用的负极材料有LiAl、LiSi和LiB合金等，几种合金材料的性能如表2所示。LiSi合金生产工艺成熟，性能优良，在各类热电池中得到广泛应用。

LiB合金由于锂含量高、比容量大，非常适用于质量比能量高、输出功率高、工作寿命长的热电池。热电池要求熔盐电解质具有低密度、低粘度、低熔点和蒸气压、离子电导率高、电子电导率小、分解电压高、对正负极无副作用、低溶解和腐蚀、热稳定性好、电极热稳定性好。

该材料具有良好的润湿性。在选择电化学系统时，通常根据热电池的不同使用要求，遵循融合匹配的原则，选择合适的电解质材料。目前常用的电解质材料有LiCl-KCl、LiCl-LiBr-LiF和LiCl-LiBr-KBr。

目前热电池常用的发热剂是由锆粉BaCrO4和石棉按一定比例制成的发热纸。具有技术成熟、灵敏度高、刻录速度快等特点。缺点是对静电敏感，安全性差，燃烧后易挥发。

另一种是由活性铁粉和高氯酸钾按一定比例制成的电热粉，具有机械强度好、性能稳定、易成型、导电性好等优点。

绝缘材料

热电池的热寿命是电寿命的基本保证。因此，在热电池的设计过程中，应选择合适的绝缘材料，以帮助减少热量损失，延长热电池的工作时间，提高电极材料的利用率。

结构设计

单体电池是热电池生产中的重要组成部分，压制工艺是关键工艺。生产环境相对湿度保证在3%以下（实际生产中严格控制在1%以下）；单体电池压合时进行100%绝缘测试，组装时和组装后也进行100%检查。

常用的结构有两种：一种是由正极粉、电解液粉、负极粉和扼流圈多次压制而成的三层片状结构。工艺简单，适用于小直径单体电池的生产。另一种是铁发热粉、正极粉、电解液粉、负极粉一次压制成型的四合一结构。，可根据规格选用不同结构的单体电池。

 

热电池产品关键技术

随着武器系统的发展，对热电池的需求增加，同时也增加了设计难度。总结其特点，热电池的种类主要有：高性能长寿命热电池、快速激活热电池、低表面温度热电池、高电压、动力热电池、高比能热电池、高过载、高旋转热电池、脉冲热电池等类型。

在热电池设计中，对技术指标进行分析，归类为热电池类型，有针对性地进行设计，制定关键技术，然后根据理论和经验进行研发实验。下面综合介绍热电池产品的关键技术，包括电极材料的优化、隔热材料的制备与合理匹配、耐过载单体电池的制备以及降低组合表面温度的措施热电池，独特的抗高压设计，抗击穿热电堆等。

热电池用材料的制备与优化

由于正极导电性差、极化大、耐温性差，目前技术生产的热电池存在活性物质分解高、有效容量利用率低等问题，主要表现在：

• 活性物质分解

多且有效产能利用率低。正极活性物质黄铁矿（二硫化铁）的分解活化能为227KJ/mol，属于中等稳定物质。分解温度从 350°C 开始。若在500℃放置20分钟，容量损失高达62%。因此，电池不宜采取任何措施 活性物质分解较多，有效容量利用率低。

• 导电性差

正极活性物质黄铁矿是一种半导体材料，电池工作时导电性能差，内阻高。这不仅造成负载能力差，还会导致热失控，给电池带来安全隐患。

• 大极化

由于正极活性物质硫铁矿颗粒接触不良，与电解液润湿性差，电极反应接触点小，活性低，极化大，大电流运行条件下电压降大, 负载能力较差。 

用于解决技术瓶颈的方法：采用新型正极组合物，通过特殊工艺优化处理，制备低极化正极材料，可提高正极的导电性、润湿性和反应活性，从而提高活性物质的利用率和输出电压的稳定性。

 

降低热电池表面温度的关键技术

热电池的特点是工作时内部环境处于高温状态，通常可达550℃以上，热电池表面温度可高达250℃至350℃通过热传导。由于热电池的主要应用是为导弹系统提供电能，过高的表面温度会超出系统的温度承受范围。

过高的表面温度严重影响弹上电子元器件的可靠性和安全性，从而限制了热电池的应用范围。为适应新型武器系统的发展需要，开发了金属箔包裹空心骨架绝热技术，实现了将高比能长效热电池表面温度降低至低于的技术水平80°C。

气凝胶层起到隔热作用。空心骨架层形成对流冷却通道。导热系数高的金属箔可以与大气实现快速热交换，从而降低热电池的表面温度。

高压热电池关键技术

作为超高速武器的配套电源——热电池，具有超大电流的特点。目前国外已成功研制出输出电流可达200​​A、电压可达500V的热电池。 

热电池传导结构设计

热电池内部采用新型传导连接结构。导杆与镀银裸线通过钎焊焊接在一起。这种结构的优点是提高了热电池内部电连接的可靠性。柔性连接可有效防止热电池承受恶劣的机械环境条件。

故障问题发生率降低，提高了热电池的工作可靠性。镀银裸线在大电流输出时内阻比传统引线小，减少了输出功率的消耗。为了减少每个端子的电流负载，在电池盖顶部设计了多组端子，大大减少了大电流通过时的欧姆极化和发热。

环氧树脂结构件用于取代传统的石棉结构。这种结构一方面保护了电点火头在电池组装过程中因闭合压力的变化而损坏和失效。堆垛间距加强绝缘，防止热电池在高压大电流工作时冲击导柱玻璃体。电压与电流有时差别很大，您可以点击阅读我们的文章，其中详细介绍了它们之间的区别。

 

高性能长寿命热电池设计

热电池的工作寿命可以从两个方面来看，一是电寿命，二是热寿命。电寿命与电池容量有关  ，热寿命是电池电解液温度保持在熔点以上的时间。热电池的使用寿命从根本上取决于材料本身的特性。

保温材料、正极饲料、电解液、负极材料等特性是影响热电池工作寿命的最主要因素，是决定热电池工作寿命的内在因素。