提升电池性能的重要材料介绍

活性材料（Reactive　Material，RM），也称“反应材料”，是一种常温常压下处于亚稳定状态，高温高压下发生剧烈化学反应，释放大量能量的材料。这种材料由还原剂或还原剂与氧化剂混合而成。通常，还原剂多为金属材料，而氧化剂既可以是另一种金属材料，也可以是非金属材料。充当还原剂的金属材料常为极其细微的粉末状（纳米级），可选用铝、镁、锆、钛、钨、钽或铪等；非金属材料可以是聚四氟乙烯或其他含氟聚合物。将粉末混合并通过压制、烧结或化合的方法即可制成具有较高密度的活性材料。为确保活性材料具有适宜的反应速度和敏感性，粉末的尺寸通常在1～250μm。

目前，常见活性材料（RM）主要有5种，分别为铝、钛等高活性金属，金属+金属氧化物（又称铝热型），金属+卤族聚合物，以及金属间化合物和金属氢化物。

（1）高活性金属

镁（Mg，密度：1.7g/cm3）、铝（Al，密度：2.7g/cm3）、钛（Ti，密度：4.5g/cm3）、锆（Zr，密度：6.5g/cm3）等金属具有一定强度，在常温、常压下活性小，虽可与氧气化合在金属表面生成一层致密的氧化膜，但仍比较稳定；随着温度和环境压力的提升，活性迅速增加，能与氧化物发生剧烈的氧化还原反应，生成大量的热。例如：铝、钛、锆氧化反应释放的体积热值在10倍TNT以上（铝燃烧热为30.5 kJ/g，镁燃烧热为25.2 kJ/g，钛燃烧热为19.1 kJ/g，锆燃烧热为11.7 kJ/g）。这类活性材料自身不带有氧化剂，只能与环境中的氧化剂发生反应，反应时需要临界能量的输入。通常，决定金属材料能量释放效能的因素是金属本身的能值以及金属粉体的纯度、粒度、表面形态等。金属粉体的纯度、粒度、表面形态决定了需输入临界能量的大小。

（2）金属+金属氧化物

此类活性材料的主要组分为高活性金属和金属氧化物。金属氧化物作为氧化剂在高温、高压下与金属发生剧烈的放热反应（最为典型的为铝热反应），如：

该类活性材料反应能产生高的反应温度，放出大量的热；但没有气体产生。

（3）金属+卤族聚合物

此类活性材料的主要组分为高活性金属（如铝、锆、钛、镁等）和卤族聚合物（通常为含氟聚合物，如聚四氟乙烯、四氟乙烯/六氟丙烯/偏二氟乙烯三元共聚物、偏二氟乙烯和六氟丙烯共聚物等）。金属粒子与卤族聚合物基体在惰性有机介质中混合，使燃料粒子分散到聚合物基体中形成活性材料。金属粒子与卤族聚合物的混合既可以在惰性有机溶剂中进行，也可以在水或水成溶液中进行。然而，在某些金属（如铝）存在时，水会成为氧化剂，释放出有害的氢气。

活性材料中含氟聚合物的选择依据是含氟聚合物的低温工艺能力、成本、实用性、氟含量、力学性能、在工艺温度下的熔点和黏性以及含氟聚合物与活性金属填料的兼容性。可以选用的含氟聚合物及其性能列于表17-1中。(www.xing528.com)

表17-1　可选用的含氟聚合物性能

续表

（4）金属间化合物

通常，金属与金属或与类金属（如硼、碳等）元素粉末混合并进行压制、烧结等会形成一种高质量、高密度、高强度、高活性的固态合金构件。在撞击目标时，在高温高压（剪切）下，合金构件的金属材料之间发生反应。例如，铝和镍反应形成镍化铝（包括Ni3Al，Ni5Al3，NiAl，Ni2Al3，NiAl2，NiAl3，Ni12Al和NiAl12等）；钛和硼反应形成TiB2（一种陶瓷产物）等。金属间化合物在反应的同时，也释放能量（化学能），放出大量的热，形成金属间化合物。此外，有些反应生成的金属间化合物还可能与氧气发生反应，生成金属氧化物，并继续放出大量的热，反应式如下：

主要反应：金属+金属=合金+热

次要反应：合金+氧气=氧化物+热

（5）金属氢化物

金属氢化物（如AlH3，TiH4等）是一种金属、合金或金属间化合物与氢反应生成的氢化物。在一定条件下氢化物可以释放出大量的氢，而氢作为能量的携带者可与氧气发生剧烈的放热反应；同时，活性金属也可与氧气发生剧烈的放热反应，释放能量。