现代热电池电极材料现状及展望

代松 杨辉 杨森

摘要：近年来热电池的研究成为国家关注的重点课题，相关研究者们加大研究力度，取得一定的成效。为此，本文主要从阴极材料和阳极材料两个方面分析现代热电池电极材料现状，并就热电池发展展望进行总结。

关键词：现代热电池;电极材料;现状;展望

热电池属于固体溶液电解质的一种，加热后融化成离子导电体，是一次性的熔盐电池[1]。该电池具有诸多优势，如使用寿命较长、导电性能好、传输功率较大等，目前广泛应用于各行各业。但是热电池电极材料的研究仍然有待加强，为此，本文对现代热电池电极材料现状进行分析，以期为相关工作人员提供借鉴。

一、现代热电池电极材料现状

1.1阴级材料

电池发生还原反应的前提是得到电子。要想保证热电池处于正常供电状态，必须确保阴极材料满足几个方面：首先，物理稳定性能较好，为设备长时间储存提供便利。其次，不仅具有良好的导电性，还具有良好的稳定性。此外，电极电位处于较高状态。最后，阴极材料溶于电解质溶液，同样地，生成物同样可溶于电解质溶液，导电性能较好。

现如今我国热电池阴极材料主要以部分金属氯化物、氧化物或硫化物材料。其中，可溶于电解质的材料有二硫化铁，与锂硼材料处于互相匹配状态，因此目前其是比较常用的一种热电池阴极材料[2]。FeS2又分为两类，一个是人工制作，另一个是纯天然。人工制备FeS2粉末主要条件为高温或水热反应。纯天然的FeS2主要从黄铁矿中提取，从提取方式方面分析经济性能较好，且提取的材料化学性能较优。

FeS2属于阴极材料，其放电时可电压峰值也瞬间形成，从某种程度来说使电池使用寿命显著缩短，很显然是不利的。在使用的过程中为避免上述问题，可通过锂化解决。此外，该材料的应用还有一个不可忽视的重点问题为高温状态下FeS2被分解后生成硫蒸汽，硫蒸气与阳极反应时对电池性能产生直接影响。近年来人们加大力度研究热电池电极材料，取得了良好的研究成果，即阴极替代材料可用二硫化钴和二硫化镍，这两种材料是比较适合的替代材料，因此热电池电极研究重点方向就变成了二硫化钴和二硫化镍。

由于二硫化钴不溶于电解质溶液，二者不会发生任何反应，具有较高的稳定性能，分解反应的条件为650℃的高温，因此可用二硫化钴替代FeS2[3]。但这种材料电阻率不高，既具有优良的功率传输特性又具有优良的电流导通性，但也具有诸多局限，比如材料获取难度较大，无法直接在自然物质中获取，仅可通过人工合成获取，成本较高。目前人们主要通过电沉积法、气相沉积法、高温硫化法三种化学方法制作，目前用二硫化镍替代二硫化钴和FeS2作为热电池的电极仍然处于研究阶段，由于材料制作费用较高，反應过程中可控性一般，因此目前二硫化镍作为电极还在研究中。

1.2阳极材料

热电池放电是失去电子，阳极失去电子后发生了氧化反应，其作用原理同于其他电池差异不大。目前阶段锂电池应用比较广泛，除此之外还有其他的材料可作为热电池阳极材料，如镁、钙、铝等。锂电池的应用虽然在解决钙电极短路问题方面效果较好，但由于锂材料熔点低，热电池工作时锂电极材料在温度影响下被融化，金属渗漏问题严重，因此目前阳极材料很少引用锂金属。比较常用的为锂金属和金，在满足锂金属特性的基础上电极熔点不断提高。锂合金电阻小，具有较大电流通过的条件，与其他金属相比电容量更高，约为其他金属的5倍，目前已经得到广泛的应用。

锂硼材料主要是由硼和锂单质结合，发生了化学反应，多孔化合物也由此形成，游离状态下的金属锂单质被多孔结构吸附，放电过程中不会受到电池温度影响，保证了结构的完整性。锂硼合金结构之所以稳定，很大程度上是因为游离的锂单质发生反应。有研究表明化学反应也有少部分的锂硼合金发生反应，但绝大部分均处于结构稳定状态。

锂硼合金的制备方法为在特定温度环境下融化锂和硼两种材料，二者发生反应，锂融化后通过搅拌，确保化学反应热平衡得到维持。研究者普遍认为第一次放热主要受熔炉温度升高影响，材料变白时放热温度在400℃以下，材料粘度与放热成正比，即放热越多材料粘度越高。温度在400℃以上且小于550℃时再一次产生放热反应，该过程中释放更多热量，硼溶液在此条件下固化，最终成为锂硼合金[4]。

早期主要在惰性气体保护基础上制作锂硼合金，工艺并不精细。随后专家们发现要想大批量制作锂硼合金电极就必须通过控制反应的温度的方式控制反应热。在此之后国外用制作锂硼薄膜工艺时借助真空蒸发技术进行。国内不少研究者也加大力度研究了锂硼电极，且改良了制作工艺，较好的控制了温度，为研发电极材料做出较大的贡献。发展至今，我国锂硼合金制作工艺取得较大的发展和进步，目前该合金广泛应用于热电池中，且被人们广泛推广。但该电级的应用同样存在诸多问题，如材料制作成功率有待提高，废弃产品难以回收等。

二、热电池电极的展望

热电池的应用必然越来越大，因此对其性能要求也不断提高。首先，热电池输出功率的提高必须满足高能量输出问题[5]。电池寿命的提高还需要在进一步深入研究的基础上进行创新。此外，对电池体积和容量进行有效控制，便于人们安装和携带设备，未来热电池主要发展方向为：改良现有的锂硼合金工艺，降低成本，使锂硼电极得到广泛推广。解决锂硼合金电池回收问题，避免给环境造成污染。探索新的热电池材料，其中二硫化镍、LiB和LiAl等为电极的热电极发展前景广阔，热电池性能更高。

结语

由于热电池材料无论是电流导通性还是热稳定性都处于良好状态，未来必然成为主流的电源材料。当前阶段我国热电池电极材料仍然存在诸多缺陷，还需要加大研究力度，诞生更多新型的热电池。

参考文献

[1]李进， 刘丹. 现代热电池电极材料现状及展望[J]. 当代化工研究， 2017（3）：99-100.

[2]秦雪敏. 现代热电池电极材料现状及展望[J]. 城市建设理论研究（电子版）， 2016（11）：5391-5391.

[3]陈立波. 探究热电池电极材料的现状[J]. 中国化工贸易， 2015， 7（23）：167.

[4]苑晓宇， 马伟民， 闻雷，等. 热电池正极材料的研究进展[J]. 陶瓷学报， 2010（4）：158-164.

[5]阳玲， 丁文革. 热电池中正极材料后处理技术的应用研究[J]. 当代化工研究， 2017（4）：39-40.

贵州梅岭电源有限公司，贵州遵义 563003