熱電池陰極電極材料
在鋰系熱電池中，優(yōu)良的陰極活性物質一般需要具有以下特點：電極電位高，相對于鋰電位最好大于3V；具有高的熱穩(wěn)定性；與電解質不發(fā)生反應；具有電子導電性，能夠大電流放電；生成的反應產物能夠導電或能溶人電解質，減小內阻。鋰系熱電池的陰極材料通常采用電位較正的金屬硫化物、氧化物以及氯化物。
（1） 硫化物陰極材料
過渡族金屬硫化物是一類很好的熱電池陰極材料，通常采用電位較正的金屬硫化物或鹽類。用它取代硫做陰極材料，可解決高溫下硫蒸汽的逸散問題，大大降低可溶于電解質的多硫化物的形成。FeS是目前應用最廣泛的與鋰合金陽極匹配的熱電池陰極材料。二硫化鐵有人工合成的，也有從天然礦石中提取的，鋰系熱電池使用的二硫化鐵主要來源于天然產出的二硫化鐵。研究表明，F(xiàn)eS陰極材料可直接從黃鐵礦中加工得到，價格便宜，電性能穩(wěn)定。但是FeS，在高于550℃時發(fā)生熱分解，生成硫蒸汽與陽極鋰合金直接化學反應產生大量的熱量，使熱電池熱失控直至完全失效。另外，在電池激活瞬間，單體電池會產生0．2V或更高的電壓脈沖即瞬間電壓尖峰，使電壓平穩(wěn)性下降，縮短電池的工作壽命。為消除電壓尖峰，解決FeS：的熱穩(wěn)定性問題，廣大學者做了很多方面的工作。目前最有效的常規(guī)方法是采用Li：O等鋰化劑對FeS：進行鋰化處理，從而大大消除電池的初始電壓尖峰并提高電池壽命終結時的脈沖性能。此外，采用合成納米結構的FeS：作為陰極也為FeS，的應用指出了新的發(fā)展方向。相較于資源豐富的FeS，CoS粉末只能采用人工合成的方法。人工合成CoS粉末的方法有：晶種誘導水熱合成CoS粉體、溶劑熱法合成CoS納米粉體、水熱法制備CoS：空心微球以及高溫硫化法。人工合成CoS，粉末大部分的顆粒都成近球形，顆粒表面比較疏松成發(fā)達的多孔狀結構。與表面光滑平坦的FeS晶體相比，CoS的結構大大提高了正極材料的比表面積，從而可提高正極工作電流密度、正極材料的利用率。因此多孔網狀的CoS正極材料更適合于發(fā)展高比功率和比能量的熱電池，是能代替二硫化鐵的理想陰極材料。
（2） 氧化物陰極材料
由于存在嚴重的熱分解，二硫化鐵是比較理想的短壽命陰極材料。Clark用溴化鋰對VO、VO進行鋰化處理制得鋰化的氧化釩（LVO），作為熱電池的陰極材料，與二硫化鐵相比具有較高的電壓和更好的熱穩(wěn)定性。LVO優(yōu)點如下：混合物的熱穩(wěn)定性較好；電極電位很正，相對鋰為2．8V；化學穩(wěn)定性好，若把它與一定比例的FeS混合作為陰極，則除保持原有的優(yōu)點外，還可顯著提高熱電池的后期放電效果。
（3） 氯化物陰極材料
金屬氯化物（特別是氯化鎳）是可替代二硫化鐵的較為理想的陰極材料之一，具有理論容量高、放電電流密度大、電極電位正等特點。以高溫處理氯化鎳為正極材料的熱電池，氯化鎳熱電池在放電后期，由于氯化鎳與全鋰電解質在高溫時發(fā)生相互熔浸，電池的電解質材料流溢出電堆現(xiàn)象嚴重。研究表明，在氯化鎳熱電池中，電解質不宜選用二元電解質，鋰硅合金不適合做負極。以氯化鎳為正極，Li．B合金為負極，電解質選用全鋰j元電解質制備電池進行放電試驗，研究表明樣品電池放電電壓曲線平滑、無極化現(xiàn)象、無微短路現(xiàn)象；電池激活時間1．6S，樣品電池的比能量達到84Wh／kg（這是熱電池中較高的水平）。電池正、負極利用率都達到較高的水平，在進一步改進電池粉量配比后，電池的比能量仍有提高的可能，而且激活時間也有望縮短。
熔融硝酸鹽電解質
近年來，國外的一些熱電池實驗室（SNL、SAFTAmerica公司）采用熔融的硝酸鹽應用于鋰體系熱電池電解質。由于該體系的低溫工作區(qū)間、單體電壓高、比能量高等優(yōu)點，作為熱電池電解質其應用備受關注。熱電池的熔融鹽電解質具有水溶液電解質所無法比擬的優(yōu)越性：非流動性；高電導率及離子遷移速度大，允許大功率大電流放電；分解電壓高，可以使用與水反應的超低電位金屬及其合金作陽極，從而使電池電壓高，比能量大；活性物質利用率高，電化學極化和濃差極化都很小。傳統(tǒng)熱電池電解質可選用堿金屬和堿土金屬的氟化物、氯化物、溴化物以及它們的低共熔點混合物。但這些電解質的熔點相對較高，電池的工作溫度基本都在300～500℃。據國外的文獻報道，國外的一些熱電池實驗室采用熔融的硝酸鹽作為鋰體系熱電池電解質，電池工作溫度范圍低（150～300℃ ）；鋰體系陽極能夠與之兼容；組合電池采用高電壓陰極與鋰合金配對，電池的單體電壓和比能量較傳統(tǒng)熱電池明顯提高。表1是傳統(tǒng)鋰系熱電池電解質體系特性，表2是常用的熔融硝酸鹽體系一些特性?？梢娤跛猁}體系的熔點均小于300℃，且有較好的電導率，因此該體系應用于熱電池中，體系溫度較傳統(tǒng)鋰系熱電池降低至少100℃，該體系與傳統(tǒng)鋰系熱電池電解質都具有良好的導電性。
保溫材料
要使熱電池正常工作，必須維持在一定的溫度范圍內。通常在電池堆體的周圍使用一定的保溫材料來達到在較長時間內維持一定的溫度的目的。保溫材料性能好壞對熱電池的性能（特別是工作時間）會產生很大的影響。
Min-k保溫材料主要以氣相SiO或SiO氣凝膠粉末為主體，添加TiO2等作為遮光劑，加入一定量的纖維作為增強劑，經過混合后壓制而成。氣凝膠是一種新型的輕質納米多孔性非晶固態(tài)材料，其比表面高達1000m2／g、孔率達80％～99．8％，孔洞的典型尺寸為1～100hi／1。它被認為是固體中熱導率很低的材料。這是因為：氣凝膠的纖細納米多孔性結構能有效地限制局域激發(fā)的傳播，其固態(tài)熱導率比相應的玻璃材料低2～3數(shù)量級；氣凝膠的典型孔洞尺寸在幾納米到幾十納米之間，小于常壓下空氣分子的平均自由程，因此氣體熱導率很低；摻雜遮光劑的氣凝膠能使輻射熱傳導在一定厚度內被有效地吸收，即輻射熱導率也很低。在常溫常壓下，氣凝膠的導熱系數(shù)可達O．015W／（m·K）。即使在527℃的溫度下，其導熱系數(shù)也只有0．038W／（m-K）。氣凝膠雖然有較好的保溫性能，但機械強度較差。為了提高強度，可以在制備的過程中加入纖維進行增強。真空絕熱體采用不銹鋼制成的雙層夾套殼體，夾套內抽真空，其保溫原理和熱水瓶相同。若在真空室放人填充材料，如鋁箔、玻璃纖維等，保溫性能將大大提高。
熱電池發(fā)展展望
自20世紀70年代鋰合金/二硫化鐵電池問世以來，世界上幾個主要軍事強國對該種熱電池的興趣倍增，80年代得到非常迅速的發(fā)展?？梢灶A見，
鋰合金/二硫化鐵熱電池將全面替代目前還在使用的幾個比較落后的熱電池體系。21世紀是鋰合金/二硫化鐵電池的全盛時期，隨著材料特別是新型保溫材料的發(fā)展，到那時長壽命熱電池組的壽命將超過2h，功率為幾千瓦級熱電池組可能問世。穩(wěn)態(tài)放電電流密度可能達到8～10A/cm2，脈沖放電電流密度可能超過50A/cm2，電池組的性能得到進一步提高，比功率大大超過目前水平。
隨著熱電池研究的不斷深化，熱電池必將在武器應用方面不斷發(fā)展，在軍事上占有越來越重要的地位