一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置-钱学森空间技术.PDF

一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化装置 张 辉，姚 伟 （钱学森空间技术实验室空间技术与应用基础研究部，北京100094） 国家发明专利受理了题目为“一种半导体热电控温的全固态能量储存与转化 装置”，的申请（申请号：201610519670.3 ）。本申请属于能量储存与转化技术领 域，涉及一种新型半导体热电转化与电化学储能技术相结合的发电兼制冷与加热 的装置，适于军民两用的能源需求。 针对高能量和高安全两大必要的储能需求，各国的科研工作者正积极研发全 固态锂离子电池或全固态锂电池（全固态锂基电池），特别是利用无机固体电解 质材料的完全不可燃性，彻底解决了电池的安全隐患。然而，室温下固态电解质 的低离子电导率及电解质与电极间的高界面阻抗导致全固态电池内阻过大，成为 全固态锂基电池实现应用的主要障碍。与传统液态电解质相比，无机固态电解质 具有的优缺点如表1 所示。 1 表 无机固态电解质对比传统液态电解质的优势 电解质性质 传统液体 无机固体 离子电导率 高（～10-2 S/cm ） 低（10-3～10-6 S/cm ） 电解质/ 电极 好 差 界面接触 安全性 差（可燃、漏液等） 好（非可燃、无渗漏等） 电化学窗口 4 V 5 V （可以使用高压正极） 能量密度 低 （限制正负极材料的 高 （可以选择高能量的正负极材料） 选择） 电化学稳定性 差（易分解、有副反应） 较好 循环寿命 一般为1000 次 可以达到40000 次 温度适应性 窄 （-20～+60 ℃） 宽（-40～+200 ℃） 目前，全固态锂基电池的应用需要解决一些科学与技术问题，主要包括：提 高固体电解质材料的锂离子导电率；减小电解质相与电极相界面间的离子输运电 阻。研究表明，提高全固态锂基电池运行温度（如60℃以上），可以降低全固态 锂基电池内阻，放电容量明显增加，使之具有真正的实用价值。不像其它电化学 储能系统，如镍氢电池和锂离子电池等，充放电伴生的反应热不容易散出，长时 间工作在热环境中，将缩短电池使用寿命，降低电池性能，甚至引起热失控和电 池故障直接威胁人员的生命安全。相反地，全固态锂基电池由于具有宽的温度适 应性和高安全可靠性，并且伴随着温度升高，固态电解质活性提高、较慢的电极 反应得到加快，离子扩散速度加快，使得电池内阻减小，而在中高温的环境中具 有更大的放电能量和更长的电池寿命。 另外，半导体热电转化技术是一种通电即可同时产生热量和冷量，使得半导 体热电转化装置的一面进行直接制冷，而另一面直接制热。通过改变其中的直流 电流或电压可以实现制冷、制热以及控制升降温速率等优点。基于质量轻、尺寸 小、无运动部件、无噪音、可靠性高、及可同时实现制冷和制热效果等优点。本 发明使用半导体热电转化装置 （见图1）加热全固态锂基电池，形成基于全固态 锂基电池和半导体热电转换技术的能量储存与转化装置（见图 2 ），保持电池温 度处于合适工作温度范围内，使之能够连续可靠、安全灵活、高效可控的进行供 电，并实现对外部环境或组件进行降温或加热的功能，为航天器、航空移动、纯 电动汽车、混合动力汽车以及大中型电动工具等供应电能需求的同时，可以实现 对装置外的组件和空间进行降温的功能。 1 7 8 9 图 半导体热电转化系统示意图，主要包括热电堆 、冷热端风扇 、金属导体 、基 10 11