论文总字数：25787字

摘 要

热电池是一种广泛应用于现代军事中的一次储备电池。它需要正极材料有较高的比容量和热稳定性。近年来随着科技的发展，CoS₂已逐渐取代FeS₂成为一种新型的热电池正极材料。

本文主要研究了以四氧化三钴和硫脲作为原料使用固相法合成热电池正极材CoS₂，并探究合成过程中的原料配比、煅烧温度等因素对材料的物理化学性能及电化学性能的影响。

研究结果表明当煅烧条件为300℃*2h-550℃*5h，四氧化三钴和硫脲摩尔比为1:7时所合成的CoS₂具有较为良好的物理化学的性能及电化学能。

本文的特色：CoS₂有水热法、溶剂热法、高温固相合成法等多种制备方法。目前常用的固相合成是直接使用金属Co粉和S粉。但原料金属Co不易获得和保存，本论文不同于常规方法选取了更为常见的四氧化三钴和硫脲作为固相合成原料，并探究了用这二者合成CoS₂的方法。

关键词：热电池，CoS₂，高温固相合成法

Abstract

Thermal battery is a kind of primary reserve battery widely used in modern military. It requires positive electrode materials with high specific capacity and thermal stability. With the development of technology in recent years, CoS₂ has gradually replaced CoS₂ as a new type of cathode material for thermal batteries.

In this paper, the cathode materials CoS₂ have been synthesized by a solid-phase method using tricobalt tetroxide and thiourea as raw materials. The effects of the raw material ratio, calcination temperature and other factors in the synthesis process on the physical and chemical properties and the discharge performances of thermal battery have been investigated.

The results show that the CoS₂ synthesized at 300℃ for 2h then heated at 500℃ for 5h while the molar ratio of tricobalt tetroxide and thiourea is 1:7 displays better physical and chemical properties and electrochemical performances.

Features of this article: various preparation methods such as hydrothermal method, solvothermal method, and high-temperature solid-phase synthesis method have been used to prepared CoS₂. At present, the commonly used solid phase synthesis is to directly use metal Co powders and S powders. However, the raw material Co is difficult to obtain and store. In this paper, a new method has been developed, which is different from the conventional method that the more common tricobalt tetroxide and thiourea are selected as the raw materials. The method for preparation of CoS₂ using these two raw materials is also explored.

Key words: thermal battery, CoS₂, high-temperature solid-phase method

目 录

1. 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 热电池的结构 1

1.2.1 杯型结构 1

1.2.2 片型结构 2

1.2.3 薄膜结构 2

1.3热电池工作原理 3

1.4热电池负极材料 3

1.5热电池正极材料 3

1.5.1热电池正极材料的发展历史 3

1.5.2热电池正极材料的性能要求 4

1.5.3 FeS₂正极材料 5

1.5.4 CoS₂正极材料 5

1.6 CoS2的合成方法 6

1.7课题研究内容 8

第2章 实验材料与方法 9

2.1 实验原料 9

2.2实验设备 9

2.3材料合成 9

2.4材料结构表征与性能测试 9

2.4.1 XRD物相分析 9

2.4.2 SEM形貌分析 10

2.4.3 热重分析 11

2.5电化学性能测试 11

2.5.1 单体电池的制备 11

2.5.2恒流放电 12

2.5.3脉冲放电 12

第3章 CoS₂的合成与性能分析 14

3.1 物相分析 14

3.2 形貌分析 16

3.3 热稳定性分析 18

3.4 电性能测试 20

3.4.1 煅烧温度对放电性能的影响 20

3.4.2 原料配比对放电性能的影响 21

3.4.3 煅烧时间对放电性能的影响 23

第4章 总结与展望 26

4.1 总结 26

4.2 未来展望 26

参考文献 27

致 谢 29

第1章 绪论

1.1引言

热电池是一种热激活贮备电池，又称为熔盐电池。一般的贮备电池具有以下特点^[1]：首先，电池在储存期间处于惰性状态，其活性物质组分在此期间几乎不发生任何化学反应，因此可以进行长时间储存，有的甚至可以储存长达几十年；其次，贮备电池只能使用一次，因此无法在使用之前对其进行无损检测，所以它对生产中的流程与细节要求很高；此外，贮备电池所使用的电极材料通常具有活性高、比能量大等优点。和常规电池相比，它也可以适应腐蚀性较强的电解质溶液。

热电池的工作温度通常在350℃~550℃以上。它的电解质是固态熔盐，在常温的非工作状态下，它的固体电介质没有导电性，因此它可以进行长期保存。在工作时，通过程序给出电信号或是热信号对电池进行激活，使其固态电解质熔融^[2-3]，此时熔融状态的电解质就会有很高的电导率，热电池也因此可以进行大功率放电，它的脉冲放电电流最高可以达到10A/cm²以上。此外，热电池还具有激发速度快、使用时间长、对恶劣环境的承受能力强等优点，因此，它也被广泛应用于导弹、鱼雷、飞机、核武器等现代军事领域^[4]。

1.2热电池的结构

热电池的结构首先要求保证它能够充分释放电能，减少放电过程的能量损失；其次，在热电池激活和放电的过程中会产生极大的压力和温度冲击，所以它需要具备良好的机械性能来保证受到冲击时其结构和部件不会受损；最后，热电池需要确保其电极中活性物质的占比尽量增大，这可以提高它的整体能量密度。热电池主要有三种类型的结构，分别是杯型结构、片型结构和薄膜结构^[5]。热电池在刚被学者开发使用时采用的是杯型结构。后来为了简化制备工艺，并改善性能，杯型结构热电池逐渐向片型结构过渡，目前的热电池大多采用片型结构。

1.2.1杯型结构

杯型结构是热电池发展初期最主要的一种结构，它主要应用于钙系热电池和镁系热电池当中^[6]。它的优点在于的电性能好，能够进行大电流放电，且对能够适应较大范围的温度变化。但如今这种结构慢慢被淘汰也是由于自身的许多不足：首先，它的制备及装配过程十分复杂，装配杯型单体热电池所需的零件数远大于现在常用的片型单体热电池。其次，它的可靠工作寿命太短，一般无法超过五分钟。此外，杯型结构热电池的热激活过程所用的点火装置中主要的活性物质为Zr-BaCrO₄，它对震动和静电都十分敏感，且在燃烧时会产生较大程度的体积变化，受到冲击容易产生变形，造成热电池内部短路，所以非常危险，目前已很少使用。

1.2.2片型结构

片型结构是目前最常见的热电池结构，它一般由基片、片状集流片、负极片、电解质片、正极片、加热系统、保温垫片、电池壳和电池盖等部分组成^[7]。

（1） 基片：主要用于承载单体电池之间的活性物质和连接片。

（2）片状集流片：它可以收集导出两电极之间的电流。同时，由于它位于电极片和加热片之间，当电池被激活加热时它可以缓冲热流，防止电极温度过高发生热分解。

（3）负极片：它由负极电极材料和基片组成，常用的有Li- Si合金、Li-B合金和 Li-Al合金等。

（4）电解质片：它由固态电解质和粘接剂组成，受到激活时会熔化并导电。常温下它也可以起到阻止电子电导，防止短路和漏电的作用。

（5）正极片：主要由正极电极材料以及基片组成。

（6）加热系统：主要由电点火头、加热片和引燃纸组成。当接收到程序给出的信号，它就会激活电池，点燃加热片，在很短的时间内加热电池至其工作温度，熔化电解质片使其导电。

（7）保温垫片：主要起保温隔热作用，降低电池与外界环境的热量交换，减少能量损失，从而延长电池寿命。所用材料需要具有较低的热导率和良好的隔热性能，如石棉、云母、玻璃纤维或陶瓷纤维等。

（8）电池壳：用于放置热电池的各个部件。

（9）电池盖：与电池壳焊接，以保证热电池处于密闭状态。电池盖上焊有接线柱，它们能起到导电和传递激活信号的作用。各接线柱之间和接线柱与壳体之间均保持绝缘状态。

片型结构相对于杯型有非常多的优点：首先，片型热电池的工作寿命远大于杯型；第二，片型热电池在工作中的内部压力远小于杯型，故电池外壳就不需要拥有太大的质量和厚度来承载压力，质量的降低随之即可以提高电池的整体比容量；第三，片型热电池组成十分简单，它只有三个片型元件，故非常易于装配，结构紧凑，可以适应较为极端的温度、压力、湿度等恶劣环境；第四，片型热电池常以铁粉和高氯酸钾作为加热材料，相比于Zr-BaCrO₄，它点火能量高且出气量小，使用时安全性更高。目前，片型结构已成为最成熟和常用的一种热电池结构，已被应用于国内外绝大多数热电池当中。

1.2.3薄膜结构

请支付后下载全文，论文总字数：25787字

相关图片展示：