一种基于中轴点火通道设计的快速响应热电池的制作方法

本发明涉及一种中轴快速激活热电池，特别是电堆的点火通道。

背景技术：

热电池是热激活储备电池，它是以熔盐作电解质，利用热源使其熔化而激活的一次性储备电池，工作时中轴温度在450℃～550℃。由于它内阻小具有很高的比能量和比功率、使用环境温度宽、贮存时间长、激活迅速可靠、结构紧凑、使用时无方向性不受安装方位的影响、具有良好的力学性能、不需要维护等优点，一问世就受到军界的青睐，发展成为导弹、核武器、火炮、弹射椅、黑匣子等现代化武器和应急系统的理想电源。

在军事对抗激烈的今天，拦截与反拦截、跟踪与反跟踪日益成为当今战争的一大主题。在我国国防科技工业技术发展中，许多新概念武器不断出现，许多新技术装备不断发展。新型武器装备的进步对热电池的各种性能指标要求也越来越高，热电池激活时间也逐渐引起众多专家学者的关注。在逃逸求生、深空探索、应急救援等领域，快速响应热电池作为一种新型的电源技术出现。新型鱼雷要求具有快速攻击、游弋和隐蔽的性能，飞机弹射座椅要求救生电池快速输出电能，保证降落伞快速打开，这些技术的实现都需要热电池的快速响应。

纵观热电池发展技术，快速响应热电池技术却鲜有报道。国内热电池激活时间主要停留于方法途径探讨上，研究内容局限于正负极添加剂或者快速引燃技术，激活时间没有出现实质性的进展，热电池的激活时间集中于在0.2～0.8s。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于中轴点火通道设计的快速响应热电池，缩短电堆横向燃烧路径，加速隔膜的熔融，降低热电池激活时间，使激活时间可以降低至0.1s以下，同时保证电池放电安全。

本发明的技术方案是：一种基于中轴点火通道设计的快速响应热电池，包括电堆，沿电堆中轴线设置有中轴内部点火通道。

所述电堆包括中孔单体组件，中孔单体组件主要由带有中孔的中孔集流片，中孔负极片和中孔复合片依次叠加组成。

所述电堆还包括中孔附属组件，中孔附属组件包括带有中孔的中孔固定组件，中孔垫片和中孔引出片。

所述中孔复合片包括依次复合的加热、正极、隔膜材料。

所述中孔复合片还包括负极、其它组件或整个单体组件。

所述中孔复合片还可以进一步深度复合负极材料、其他组件或整个单体组件；该处复合片类型与热电池负极材料有关，如果为负极为LiB合金（板材）时，复合片为前所述；如果为LiSi合金（粉末）时，复合片可以进一步复合负极及其他组件，例如加热正极隔膜负极。

所述中孔复合片厚度为0.3~1mm，正极或负极层厚度为0.03~0.1mm。

所述加热材料为Fe-KClO₄-Zr的混合物，各组分的质量百分比为Fe含量80%~90%，KClO₄含量10%~20%，Zr含量0%~5%，针对负极为LiB合金设计的中孔集流片。

所述中孔集流片内外环边沿处分别固定有高温稳定的绝缘环，以防止嵌入其中的负极材料高温溢流，保证电池安全性。

所述热电池极片为粉末压制成型，或者涂覆或喷涂后切割冲压成型。

采用撞击火帽或者引燃装置使火焰能够直接通过中轴中孔点火通道，点燃电堆中的烟火药源，使电解质快速熔融，从而缩短热电池激活时间。

本发明中，带有中孔的中孔单体组件和中孔附属组件相组合，构成了中轴中孔点火通道；中孔单体组件由中孔集流片，中孔负极片，中孔复合片组成。中孔附属组件主要是实现单体电池激活、保温、绝缘或输出能量功能的相关附属组件，主要包括中孔固定组件，中孔垫片，中孔引出片及其它类似结构组件，主要起辅助功能。

中孔复合片为加热、正极、隔膜中孔复合片或者类似结构，复合片厚度范围为0.3~1mm，正极材料层或者负极材料层厚度为0.03~0.1mm，控制正负极厚度的目的是为了让热量快速通过电极层，提高传热效率，以加速隔膜熔融，从而快速建立电压。

所述热电池加热材料为Fe-KClO₄-Zr的混合物，按照质量百分比计算，Fe含量为80%~90%，KClO₄含量为10%~20%，Zr含量为0%~5%。加热粉中掺入Zr粉是为了增强加热材料的燃烧速度和燃烧剧烈程度，增加发热量和燃烧区温度，扩大温度范围，以利于快速传热。

所述热电池极片为粉末压制成型，或者涂覆或喷涂后切割冲压成型。

采用中孔单体组件，通过热电池串并联叠堆方式，构建电堆中轴点火通道，当电池输入激活信号以后，可以通过火帽或其他引火装置形成火焰，点燃电堆中轴，使电堆从内外同时点燃，从而缩短电堆横向燃烧路径；另外电堆中加热材料剧烈燃烧，使热量快速通过正极层或负极层，加速隔膜熔融，降低激活时间。

本发明主要是通过缩短燃烧路径和增强传热速度的方式实现快速激活，例如当单体组件均为带中孔的环形时，一方面由于电池极片是中孔环形极片，相比常规圆型极片，中孔部分可以看做是电堆横向燃烧减少的路径；另一方面，火帽等激活装置可以使火焰直接喷射入由环形极片构建点火通道，点燃电堆中轴的烟火热源，从而使电堆由外向内的横向燃烧方式转变成内外同时点燃，内外对接燃烧的方式，燃烧路径缩短为环径的一半；另外，在常规圆形极片中，电堆中心最后燃烧，电芯中轴隔膜熔融滞后于极片边缘隔膜，导致在负载时，不能承受大电流，使激活时间延长，而环形极片的方式能够消除电堆中心传热滞后的现象，加快隔膜熔融速度，提高电池激活过程负载能力，降低激活时间。另外，研究中通过控制加热材料燃烧速度和燃烧剧烈程度、控制电极层厚度等方式提高传热速度，加速隔膜熔融，使电池快速建压。

电池激活过程简述：当电池输入激活信号后，点火头或火帽被点爆，产生的火焰可以快速通过内部点火通道燃烧，从而点燃电堆中的极易着火的中孔引燃片、中孔加热片，同时燃速更快的中孔引燃片快速燃烧至电池堆外沿，通过外部紧贴电池堆的引燃条点燃外部，电池堆实现内外同时燃烧，以缩短激活时间。如果内部点火通道较大，火焰射程短，范围小时，可以通过添加引燃条，引燃线之类的物质构建内部点火燃速线路。

在传热过程中，隔膜中电解质熔融是电池激活的受控环节，只有加速隔膜熔融才能极大降低激活时间，发明中需要重点控制加热材料的燃烧速度和剧烈程度，控制加热材料与隔膜之间的正极层和负极层厚度，方能提高传热效率，加速隔膜熔融。

关于复合片，说明如下：热电池中含有正负极材料的片子称为极片，而采用几种材料分层复合的片子称为复合片。复合片为行业通用术语，一般为正极隔膜和正极隔膜负极两种复合模式，由于当前热电池正负极材料的多样性，其制片方式存在差异性，如采用LiSi合金负极设计的热电池，复合片一般为正极、隔膜、负极压制形成的三层结构；采用LiB合金负极设计的热电池，复合片一般为正极、隔膜压制形成的两层结构；另外加热材料及其它缓冲材料也可能复合在极片上，形成四层或者更多层结构。本发明涉及的复合片根据材料多样性可能存在多种组合形式，已经远远超出了常规的复合片范畴，因此在权利要求书中难以对所有复合片的形式进行概括。

本发明中特别强调的多层复合虽然可以形成多种组合形式，但关键点是控制复合中极片的厚度，特别是加热与隔膜之间正极层或负极层厚度。

本发明与现有技术相比，可以极大地缩短激活时间，经实测，激活时间可以降低至0.1s以下，同时热电池维持了较高的安全性，能够满足快速响应热电池在较大电流负载下较长时间工作的实用要求。

附图说明

图1为本发明电池堆组成示意图；

图2为本发明中孔集流片示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于中轴点火通道设计的快速激活电池，其电堆10组成为，依次叠加的环形中孔固定板组件1，环形中孔引燃片2，环形中孔加热片3，环形中孔垫片4，中孔引出片5，环形中孔单体组件6，其中，环形中孔单体组件6又包括中孔集流组件7，中孔负极片8和中孔复合片9。

电堆中组件均带有中孔，以构建内部点火通道。组件按其用途分类分为中孔单体组件和中孔附属组件。中孔单体组件是电池核心部分，主要由中孔集流组件7，中孔负极片8，中孔复合片9（加热、正极、隔膜材料复合）组成（即图中的附图标记7,8,9依次叠加而成），其中，如图2所示，中孔集流组件7内外环边沿处采用耐高温绝缘环固定，以防止嵌入的负极材料溢流，其余组件均为中孔圆环状，由不同材料组成的单层或多层结构。中孔附属组件主要是实现单体电池激活、保温、绝缘或输出能量功能的相关附属组件，主要包括环形中孔固定组件1，环形中孔垫片4，中孔引出片5及其它类似结构组件，主要起辅助功能。

中孔复合片9中的加热材料成分为Fe-KClO₄-Zr的混合物，按照质量百分比计算，Fe含量为82%，KClO₄含量为16.5%，Zr含量为1.5%。由于加热材料参与复合片成型，正极材料层厚度可降低约为0.1mm，负极材料层采用0.05mmLiB合金板材，通过冲压成型后嵌入中孔集流组件7中。

环形中孔片的片径为Φ22，中孔的孔径为Φ8，电池输出电压22~27V，激活时间可达0.06～0.10s，工作时间30s。

电池激活过程简述：当电池输入激活信号后，点火头或火帽被点爆，产生的火焰可以快速通过内部点火通道（图中1→2→…6→10）燃烧，从而点燃电堆中的极易着火的环形中孔引燃片2、环形中孔加热片3，同时燃速更快的环形中孔引燃片2快速燃烧至电池堆外沿，通过外部紧贴电池堆的引燃条点燃外部，电池堆实现内外同时燃烧，以缩短激活时间。如果内部点火通道较大，火焰射程短，范围小时，可以通过添加引燃条，引燃线之类的物质构建内部点火燃速线路。