锂硼合金的制取及其性能分析

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摘 要：在热电池的应用方面，锂硼合金存在很大的优势，甚至超过了原先的锂硅合金，但锂硅合金在世界上的热电池阳极材料扔占有很大的比例，其原因就是因为锂硼合金性能不稳定， 批量不大，没有完全清楚的认识其反应的化合物，但目前可以确定的是有两个热放反应存在锂硼合金制备过程中，本文就根据锂硼合金来研究它的制取过程、力学性能以及放电性能，以供参考。

关键词：锂硼合金 锂硅合金 锂硼化合物

热电池属于储备性一次电源，它自身带有自动热激活熔融盐，工作温度一般在400～600℃之间。负载特性好、比功率大、内阻小，具有激活速度快和可靠性高等性能。在一些军事领域如航空、导弹都广泛使用。其中它内部的锂硼合金的锂含量最高，与以往的热电池阳极材料相比，不仅比容量大，电化学电位也接近于纯锂，它的热电池阳极成为新一代的极具发展前途的材料。本文就根据锂硼合金的制取和性能做出了以下实验分析。

一、锂硼合金的制取

对于锂硼合金成分采用的是B-70%Li作为实验制备材料，电池级低钠纯锂为中锂，纯度具有99.9%。在特制的坩埚中放入纯锂与硼粉，前提是按照成分比例来分配，经过熔炼后反应为锂硼合金锭。制取后的试样得到如下编号：1#试样——在400℃时熔炼停止，炉冷至室温；之后的2#、3#试样分别在600℃和700℃时停止熔炼，同时也炉冷至室温。

1.物相结构和微观组织

分别取1# 试样和2# 试样用XcPert Pro MPD 型X 射线衍射仪进行物相组成分析， 电压为40 kV，电流为40 mA， 用铜靶KA， 镍滤波片， 扫描范围为10b～ 90b， 取3# 试样采用FEI QUANTA 600 型扫描电镜观察锂硼合金试样的微观组织， 样品用透明塑料膜密封保存， 观察前迅速除去透明塑料包装， 要尽可能减少试样暴露在空气中的时间.

2.性能测试

在受控气氛下，取取3#试样经过轧制和裁剪成带状，在室温的下经处理后，测定其力学性能采用AUTOGRAPH AG-50KEN型万能材料试验机测定。对3#试样与锂硅合金阳极分别在固定的单元电池阴极、电解质和制造工艺条件下进行单元电池放电性能对比研究，所用负载分别为：0.25，0.5，0.75，1.2和5Ω。

3.密度测试

计算本实验中制取出的锂硼合金的密度，应采用“阿基米德原理”来进行测量。QL-i 为锂硼合金块的密度； M1为待测锂硼合金块在湿度< 2% 干燥空气中的质量； M2为锂硼合金块与铜合金砝码完全淹没在液体石蜡中排开的液体石蜡的质量； M3为铜合金砝码完全浸没在水中排开的水的质量； P1为液体石蜡的密度； P2为水的密度。

二、结果与讨论

1.微观组织和物相结构

XRD衍射在1#、2#试样的结果如图1和图2所示。从图1、2可看出，锂硼化合物Li5 B4 和金属锂组成了锂硼合金。但在制取、保存和测试的过程中，由于客观条件试样会不可避免的与空气相接触，少量的Li2O就因此生成了。通过对比图1个图2可得知，锂硼化合物Li5B4 在2#试样的量要高于1#试样中生成的锂硼化合物Li5B4 的量。极其受潮气影响的是L-i B合金，金相和SEM照片都不容易得到。

2.密度分析

衡量合金块致密程度的一个重要指标就是锂硼合金的密度，前提是在相同的锂含量这一条件下，密度测量结果见表1。

分别取1#、2#、3#三个试样，锂硼合金块的密度在400，600 和700 °时冷却依次不断增大，最终形成金属熔液的阶段还在400°试样时，无定型硼粉向液态金属锂中扩散溶解形成的。各部分的液态混合物在此时还远没有均匀，一些分硼粉未反应的现象也存在，混合物也本身也不够致密，从而样品的密度就最小。第二个放热反应在600°时已经基本完成，锂硼化合物大部分也生化而成。此时熔融金属锂正在被锂硼化合物的骨架状结构吸附着，这时样品的密度就要高于400℃时样品的密度了。锂硼化合物到了700 e℃时骨架状已经完成形成了，锂硼化合物骨架的孔洞也全部吸附了剩余的熔融金属锂。这时的整个合成金都处于十分致密和均匀的状态，因为密度在这三个试样中最大。在惰性的气氛下，取3#试样经轧制，测量它的秘密并与轧制前的密度进行对比。测量结果见表2。经过轧制后，3#的试样明显更加致密，密度也在不断增大，达到了0.870g*cm-3，比之前为轧制提高了11.56%，同时这种情况也表明，较多的孔隙存在于锂硼合金锭内部。

3.性能结果

满足使用要求的还属3#试样，因为它的抗拉强度为12.58MPa。样品具体的放点情况以及数据参照表3 。从表3可明确看出，不管是采用锂硅合金，还是锂硼合金的热电池作为阳极材料，随着负载的增加，工作电压和放电工作时间都在不断上升。但有所不同的是，作为阳极材料的锂硼合金。它所装配的单元电池不管是在最高电压还是放电工作时间，它的自身性能都是非常好的。单元电池在不同的负载下，最高电压较锂硅合金也相继提高了0.10～ 0.27 V，放电时间也有不同程度的提高。衡量热电池性能最重要的两个指标分别是工作电压和放电时间，如果在今后的工作中，可以克服锂硼合金上的不足，那么目前广泛使用的锂硅合金绝对会被性能更优的锂硼合金取代。

三、讨论

根据上述的实验可得知，锂硼化合物Li5 B4和金属锂共同组成了锂硼合金，在400°时，XRD结果表面已经生成了锂硼化合物Li5B4。为了生成均匀致密的合金，可以在锂硼合金的炼造过程中，适当的将熔炼温度提高至0.870g*cm-3。还有一部分原因是锂硼合金内部孔隙较多，经轧制后提高到这个温度正好。经过此实验提炼出来的锂硼合金，可在高强度的室温下使用，装配电池的要求也恰巧可满足。因此，锂硼在市场上具有较好的应用性能，尤其是在不同的负载下，发挥了超长的放电时间，值得推广和使用。

参考文献

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