热电池电堆用金属件的绝缘处理技术研究概况

热电池电堆用金属件的绝缘处理技术研究概况

杨德兴,杨重琳,段其智

贵州梅岭电源有限公司 贵州遵义 563000

摘要：电堆是热电池的核心部件，有着将化学能转化为电能的基本功能，其能否正常输出规定的电能是决定热电池能够正常工作的关键。由于热电池放电过程中的高温、高压环境及其使用过程中存在的冲击、振动等力学环境，电堆中的主要紧固件、引出条、导流条等通常采用不锈钢等金属材料进行制作。但是由于金属材料的导电特性，这就要求电堆中的金属件具备较好的绝缘性能。本文主要对近年来电堆用金属件的绝缘处理技术进行了归纳总结，对热电池设计过程提供了一定的参考。

关键词：热电池 电堆 金属件 绝缘处理

热电池是一种以熔融盐作为电解质的一次贮备电池。在未激活状态下，热电池基本没有自放电现象发生，因此其贮存寿命可以达到10年以上；热电池激活后，其内部温度可以达到500℃以上，使得电解质熔融形成离子导体，电池得以正常工作。由于热电池具有长贮存寿命、激活速度快、能够正常工作的环境温度范围宽、高功率和高比能量等优点，使其在军事领域应用广泛。

热电池的组成部分有单元电池、机械接口和电气接口等，而单元电池又由电堆、单元电池筒体、极柱、电池盖和底板等部分组成，电堆通过焊接的方式密封于单元电池筒体内。热电池发展至今，形成了片型结构、杯型结构及薄膜型结构的三种类型的电池结构，而片型结构因其独特的优势应用最为广泛。在片型结构中，电堆是最重要的组成部分，主要由金属紧固架将圆片状的电极片固定成圆柱状，并保证电池放电过程中的结构稳定性[1]。在热电池电堆的结构设计和材料选用上，不仅要考虑电池激活后的内部的高温高压环境，还要求这些材料具备足够的机械性能以承受各种振动、冲击和加速度等力学环境。因此，电堆两端紧固零部件和电池壳体一般采用金属材料制作，此外，引出条和导流条也因要求具有良好的导电性而选择金属材料制作。

随着武器设备的更新换代，对热电池小型化、大功率、多组电压输出的要求也越来越苛刻，但电堆中多个部件均采用金属材料进行制作，在高电压、小型化等的要求下，如何保证金属件的绝缘性能成为当下迫切解决的问题之一。本文归纳总结了近年来热电池电堆金属件的绝缘处理技术，以期为热电池绝缘设计提供一定的参考。

1.金属紧固架材料的绝缘处理技术

在热电池电堆中，金属紧固架将圆片状的电极片固定成圆柱状，并要求该结构具备良好的稳定性，以承受电池使用过程中的冲击、振动等力学环境。热电池所用的金属紧固架材料包括上、下固定板及连接紧固条。在高电压热电池中采用常规的电堆紧固结构时，由于电池放电过程中产生的离子氛在高电压的电场作用下可能产生电弧，造成电堆短路或电池炸裂。

针对此问题，汤胜[1]等采用聚有机硅倍半氧烷基漆料对热电池用金属紧固架材料进行表面处理，结果表明聚有机硅倍半氧烷漆料与紧固架材料能够实现较好的结合，经过高温热处理后仍然能够有效的附着于紧固架材料表面。聚有机硅倍半氧烷基漆料表面改性处理提升了紧固架材料的表面绝缘性能，其室温绝缘阻值可以达到100MΩ，随着环境温度的升高，绝缘阻值有所下降，但在600℃环境温度下的绝缘阻值仍然可以达到80MΩ，能够满足高压热电池的使用要求。石奎[2]等将热电池电堆中采用的不锈钢固定板进行表面磷化处理，在保持原有金属板强度的前提下，加强了金属板的表面绝缘性能，有效避免了在电池放电过程中固定板产生的感应电压，进而杜绝了单体电池与端板之间因电场强度而产生电弧等现象。

2.引出条的绝缘处理技术

电堆由若干个单体电池通过串联或并联构成，它能否正常输出规定的电能是决定热电池能够正常工作的关键。电堆通过集流片上导电性良好的金属引出条对外传输电能，但是引出条裸露部分容易引起单体电池直接短路，因此引出条的绝缘保护关系到电池能否正常、安全的工作。现在工艺上通常做法是在电堆装配完成后，再进行云母或石棉条的包覆绝缘，但是在小型热电池中，除去电池壳体壁厚和电堆绝缘保护层厚度，留给引出条保护的空间较小，不适合在压紧电堆之后用云母条和石棉条，因此对热电池输出电能的绝缘型引线集流片的装配结构提出了更高要求。

季柳燕[3]等将单元热电池电堆中所用的引出条先用聚酰亚胺胶带将两块云母条缠绕固定于引出条两侧，然后再用聚酰亚胺胶带将一条石棉条固定于远离电堆一侧的引出外，形成了多层绝缘防护的结构，有效解决了引出条裸露部分导致的单体电池之间的短路现象。彭振国[4]等采用一长、一短的两条云母条从极引出条根部开始进行包覆，长云母条长度与电堆高度一致，短云母条长度小于长云母条，且紧贴电堆；并将电堆以云母板包裹，极引出条穿过云母板引出，最后将此结构以高温胶带、玻璃布带等紧固。该结构对引出条形成了多层绝缘保护层，耐击穿电压高，绝缘效果好，并且实现全方位保护，彻底杜绝了极引出线在严酷力学环境条件下与电堆搭接的可能。

3.导流条的绝缘处理技术

热电池工作时，电能通过电堆中的集流片汇集，通过与集流片连接的引出条输送到导流条上，再通过导流条输送到输出极柱上，最后通过外部电气接口设计实现供电。因此，电能输出的任何一个环节出现问题都将导致电池不能正常工作。电池工作过程中，受高温环境的影响，电极活性物质分解产生的气体，会对单元电池内部的导流条造成腐蚀，并降低电堆与导流条间的绝缘性能。在现有技术中，增强导流条绝缘性的方法通常有缠绕聚酰亚胺胶带或卡云母条等，但上述方法在高温、力学等环境条件下，结构会被破坏，进而使得绝缘保护效果下降。

为了克服现有技术的不足，郭灏[5]等采用一种带安装孔的绝缘带以固定导流条，并使用耐高温的材料进一步对导流条易腐蚀部分进行辅助连接和额外加固，形成了一种导流条绝缘结构。这种绝缘结构装配简单，将绝缘带覆盖在引流条表面，加强了引流条整体的绝缘性和耐腐蚀性，有效避免其与热电池电堆接触发生短路，提高了热电池的安全性，并且具有较好的抗力学性能。

4.钢带的绝缘处理技术

热电池在使用过程中，通常因武器系统的特殊性，需要承受较高量级的自旋速度、冲击和振动等力学环境，因此在固定热电池的电堆时通常选用价格低廉、同时具备良好的强度、韧性及耐高温性能的不锈钢带。在电堆装配时，不锈钢带的两端分别与热电池的两极接触，但由于不锈钢具有导电性，这就要求钢带必须避免同时接触电堆的正极和负极，防止短路。在现有的热电池设计中，为了防止不锈钢与电堆接触，一般使用绝缘、隔热的材料以隔离不锈钢带和电堆，但是由于热电池采用的电解质是熔盐电解质，具有较强的腐蚀性，在高温工作条件下，电堆的包裹层极易被腐蚀，进而降低不锈钢带与电堆之间的隔离材料的绝缘性能，增大了不锈钢带与电堆接触的几率，在冲击、振动等力学环境下，很容易发生短路，极大降低了热电池使用过程的安全性。

郭灏[6]等开发了一种钢带绝缘装置，其主要结构是由带安装孔的绝缘带和不锈钢钢带本体组成，钢带本体的一端通过绝缘带上的安装孔与绝缘带固定，且紧贴绝缘带。该绝缘结构能够有效隔离钢带与电堆，增强钢带绝缘性能，提高电池安全性。此外，该结构在振动、冲击等力学作用下不易发生位移。

5.电池盖的绝缘处理技术

热电池在工作时，内部是一个温度在550℃左右的离子氛环境，若高电压热电池按照常规热电池将激活系统放入电堆中的设计方式，由于高温离子氛的存在，高电压电池的输出回路与激活回路会产生高压电弧放电，最终影响电池的安全性，因此，只有将激活系统移出电堆，放在电池盖上，形成电池盖组件。但是，在高温高压环境下，电点火头及其连接的导线在电池长时间的工作中材料易碳化，绝缘性会下降，为了保证电池盖组件的耐高温绝缘性、以及避免电堆与电池盖对接时电点火头不被压裂，急需开发一种热电池用耐高温高压绝缘电池盖组件。

有鉴于此，吴启兵[7]等公开了一种热电池用耐高温高压绝缘电池盖组件的制备方法，采用高强度的陶瓷制作的电点火头板，保证了电池盖上电点火头组件在高温高压环境中绝缘性，避免在电池长时间工作中材料碳化引起的绝缘性下降问题，陶瓷制作的陶瓷保护盖板，能够在保证耐高温绝缘性的前提下对电点火头起到保护作用，提高电点火头使用安全性。

6.电池壳体的绝缘处理技术

热电池装配过程时，当电堆紧固后，两端的紧固件通过钢带形成一个回路，这样有可能会导致靠近两端紧固件的正、负极引出通过该回路形成电容效应，引发电弧放电现象，导致电池失效。同时，由于热电池的内部电堆与壳体间隔较小，在高温情况下，容易出现电堆的正、负极引出与壳体间绝缘性降低，严重时甚至会通过壳体形成回路，导致电堆的正、负极引出短路。

为了解决热电池工作时的高温环境下，电堆与电池壳体或紧固件之间的绝缘性差的问题，赵贵平[8]等制备了一种由金属涂层和陶瓷涂层组成的绝缘防护涂层。其中金属涂层为粘结底层，作用是提高面层与基体的结合强度，调控面层与基体间的热膨胀系数；陶瓷涂层为绝缘、耐腐蚀面层，作用是提高热电池壳体及紧固件的绝缘性能，提高热电池的安全性和可靠性，并具有良好的耐腐蚀性能。这种涂层应用于单元电池外壳或电堆紧固件外表面上时，使得其与电堆内部的电极具有良好的绝缘性，进而提高了热电池的安全性。唐立成[9]等通过对短路击穿的热电池进行观察、解刨分析，认为发生短路熔穿等现象的主要原因是：电堆与壳体之间的绝缘层绝缘性能下降，在高温、高压条件下电堆与壳体之间将产生电弧放电，进而腐蚀了绝缘层，当腐蚀达到一定程度后，导致了电堆与壳体之间发生击穿。然后，提出了使用磷化处理在金属壳体表面涂一层绝缘膜，既能保证金属壳体原有的结构强度又能使金属表面绝缘，有效避免了电弧放电的产生，提高了电池放电安全性。

结束语：

综上所述，由于电堆对于热电池电能输出的重要性，在热电池电堆中使用金属材料制作的零部件时，必须考虑其绝缘性能。近年来，通过使用表面磷化处理、表面涂层、隔离、绝缘包覆等技术，对电堆中紧固架、引出条、导流条、钢带、电池盖及电池筒体等金属件的使用提供了可行的思路，为提高热电池设计时的绝缘性、安全性提供了一定的参考。

参考文献：

[1]汤胜, 许萍, 张鸿, et al. 热电池用金属紧固架材料的表面处理及其绝缘特性研究 [J]. 2022, 004): 000.

[2]石奎, 赵莉焱, 武艳波, et al. 消除高压电弧热电池的制备方法 [M].

[3]季柳燕, 胡小薇, 钱俊, et al. 一种热电池绝缘型引线集流片装配方法 [M].

[4]彭振国, 孙现忠, 刘岁鹏, et al. 一种热电池电堆极引出线绝缘保护方法 [M]. 2020.

[5]郭灏. 一种热电池用导流条绝缘结构 [M]. 2019.

[6]郭灏, 王建勇, 石斌, et al. 一种热电池用钢带绝缘装置 [M]. 2019.

[7]吴启兵, 冯勇, 吴展强, et al. 一种热电池用耐高温高压绝缘电池盖组件 [M]. 2018.

[8]赵贵平. 一种热电池壳体及紧固件用绝缘防护涂层及制备方法 [M]. 2019.

[9]唐立成, 冯勇, 化工中间体 王 J. 磷化处理工艺在高压热电池中的应用 [J]. 2018, 000(005): 145-6.