以PbCl2为正极材料的高利用率热电池

针对热电池二硫化物阴极利用率低的缺点，氯化物作为热电池阴极的候选材料得到了发展。在这种情况下，陈^[1]等人尝试将PbCl₂作为热电池的正极材料，并测试了单个电池的电学性能。在450℃、0.5 C电流下，放电比容量可达168 mAh/g，电压平台达到1.8 V，截止电压为0.5 V时活性物质利用率高达87.5%。唯一的放电平台和较高的利用率使PbCl₂成为热电池活性材料，这也为热电池氯离子正极活性材料的研究提供了新的方向。

热电池作为一种特殊的一次电池，由于其激活时间短、放电电流大、贮存时间长等优点，已发展成为武器升级换代的必备电源。与二次电池不同，热电池仅用于一次性放电，无需考虑其循环稳定性等问题，主要追求高压稳定的放电平台。单体热电池一般由阳极、电解液、阴极和集流器四部分组成。它们的性能对热电池的性能，尤其是阴极的性能至关重要。要满足热电池的性能要求，正极材料必须具有良好的热稳定性、稳定的放电平台、不与电解液发生反应。

图1 (a) 液态金属阳极制备方法示意图，(b)单个热电池放电试验示意图。^[1]

由于工作电压高(2.0 V)， FeS₂是利用最多的正极材料，但Jens等人的研究表明，纯FeS₂颗粒在400℃时开始分解，氧含量仅为5%。CoS2阴极具有比FeS₂更高的热稳定性和电导率，但由于材料价格高，制备工艺复杂，限制了CoS₂的应用。同时，根据已发表的文献，其利用率只能达到30%左右。因此，探索低成本、高利用率的正极材料是热电池正极材料发展的重要趋势。

金属氯化物是潜在的替代正极候选材料，已发表的作品有NiCl₂、KNiCl₃、FeCl₂等。针对PbCl₂在液态金属电池中的应用，陈^[1]等人首先开发了PbCl₂（理论比容量为193 mAh/g）作为热电池的正极材料，提出了一种高正极利用率的Li-PbCl₂热电池。与FeS₂等其他正极材料相比，PbCl₂具有唯一的放电平台、较高的利用率和较低的成本，可以作为热电池正极活性材料。较高的利用率可能导致热电池的比能提高，这也为高比能热电池的发展提供了新的候选材料。

图2 不同温度下0.5 C恒流放电曲线(a)、450℃下不同速率恒流放电曲线(b)、脉冲放电(c)以及(d)PbCl₂阴极与硫化物阴极的放电性能比较。^[1]

陈^[1]等人以泡沫镍支撑金属锂为阳极，采用简单片剂法制备了以PbCl₂为活性材料的单体热电池，并在不同温度、不同电流下进行了放电试验。在450℃、0.5 C电流、平台电压1.8 V条件下，单体电池的放电容量可达168 mAh/g。与硫化物阴极相比，截止电压为0.5 V时，活性物质利用率达到87.5%。此外，PbCl₂在放电后转化为Pb，简单的放电机制使得放电只有一个电压平台，从而实现稳定的放电。

[1] CHEN F, JIANG C, XU L, et al. High utilization rate thermal batteries using PbCl2 as a cathode material [J]. Materials Letters, 2021, 299: 130018.

科学指南针在全国建立31个办事处和20个自营实验室，拥有价值超2.5亿元的高端仪器。检测项目达4000+项，覆盖材料测试、环境检测、生物服务、行业解决方案、模拟计算等九大业务。累计服务1800+个高校、科研院所及6000+家企业，获得了60万科研工作者的信赖。

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。