一種密封絕緣防腐系統及儲能電池的製作方法
2023-12-04 09:14:26
本發明涉及儲能電池領域，特別涉及一種密封絕緣防腐系統及儲能電池。
背景技術：
在現有的電化學儲能技術中，中高溫儲能電池如鈉硫電池、液態金屬電池等儲能技術具有無汙染、高能量效率、靈活的功率和能量搭配輸出等特徵以及長壽命、低維護成本等優點，是應用前景非常好的儲能技術。
中高溫電池的電極材料多採用鋰、鈉等鹼性金屬中的一種或多種，電池在中高溫環境下(150℃～750℃之間)工作時，電極材料或電解質材料存在熔融或汽化的可能。上述電極材料或電解質材料在室溫時就極具活性，隨著溫度升高，其還原性能呈指數級增大。這對電池密封裝置的設計提出了極高要求。
應用於電池正負極之間的密封裝置，需同時具有密封(防止鋰、鈉及其合金等電池內部有效成分洩露)、防腐(裝置自身需具有防腐效果，避免其被電池內鋰、鈉及其合金等腐蝕，導致有效活性成分含量減少或者被腐蝕區電絕緣性下降)和絕緣(在使用溫度區間內，採用的絕緣材料在電池正負極間的體積電導率應大於107Ω/cm)功能。另外，密封防腐絕緣裝置需要小型化，使其應用於電池時達到提升電池體積能量密度的目的。
在有關中高溫電池的密封設計中，多數採用裝配的原理實現密封，如「一種液態金屬電池裝置」(申請號201420780918.8)、「半液態金屬電極儲能電池」(申請號201310131587.5)等專利中採用的絕緣陶瓷管絕緣為加裝或者緊固的方式，密封性得不到保障，且上述專利的電池結構複雜，體積龐大。
再比如，「一種液態金屬電池裝置及其裝配方法」(申請號201410350077.1)「中高溫密封絕緣防腐系統、中高溫儲能電池及裝配方法」等專利中提到了「採用密封絕緣陶瓷件將金屬電流引出杆的頂端與電池殼體緊固」實現密封和絕緣，陶瓷僅緊固在金屬電流引出杆上，故該密封方式不能滿足中高溫電池在高溫下苛刻的密封要求(常溫緊固時可能實現密封，但在高溫下因材料膨脹係數差異導致陶瓷緊固件與緊固基體的熱脹冷縮量不同，因此不能達到有效密封)。
還有從密封材料方面進行改進，例如「一種用於高溫儲能電池的密封材料及製備」(申請號201310702834.2)專利中提到了用CaAl2S4作為密封劑，用氧化鋁等粉末+粘結劑構成一種高溫儲能電池的密封材料，需要用CaAl2S4作為密封劑，並混用粉末狀物質高溫熱處理來實現密封，過程複雜。
綜上所述，如何提供一種經濟性、實用性以及密封效果、耐高溫性和耐腐蝕性均較好的密封絕緣防腐系統及包括該密封絕緣防腐系統儲能電池，成了本領域技術人員亟需解決的技術問題。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是：提供一種經濟性、實用性以及密封效果、耐高溫性和耐腐蝕性均較好的密封絕緣防腐系統及包括該密封絕緣防腐系統儲能電池。
本發明的解決方案是這樣實現的：本發明提出一種密封絕緣防腐系統，包括用於引出電流的金屬棒，所述金屬棒的外圍設有絕緣部和液封底座，所述液封底座設置於所述絕緣部的一側，所述液封底座靠近絕緣部一側設有折邊，且與所述絕緣部密閉接觸，並在金屬棒與液封底座之間形成密封空腔，所述密封空腔內裝盛有防腐料，所述絕緣部與所述液封底座之間還設有可起導電作用的蓋板，所述蓋板的一端插設於所述密封空腔內，所述蓋板的另一端伸出所述密封空腔外。此結構的密封絕緣防腐系統，可在750度的極端高溫下工作，運用於儲能電池時，由於密封空腔內的防腐料浸沒電池殼體內陶瓷部分，避免了電池殼體內活性物質與絕緣陶瓷管的接觸，從而保證電池正常工作時電極和與其連接的設備之間的絕緣性、密封性和防腐性，有效提升了設備整體的安全性。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述絕緣部為陶瓷管，所述陶瓷管固定設置於所述金屬棒上，所述陶瓷管與所述蓋板之間還設有起密封作用的第一封接環。此設置方式，在陶瓷管與蓋板之間設置第一封接環，可以起到較好的密封作用，防止密封空腔內的防腐料從陶瓷管與蓋板之間的縫隙洩漏，以及防止蓋板和液封底座接觸而發生短路。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述第一封接環套設於所述陶瓷管上，且其邊緣向一側翻卷形成第一卷邊，所述第一卷邊與的蓋板密封接觸。此設置方式，第一封接環設有與蓋板密封接觸的第一卷邊，其密封效果更好。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述密封絕緣防腐系統還包括防溢蓋，所述防溢蓋蓋設於所述液封底座的折邊上，且所述防溢蓋的內側與所述蓋板密封接觸。此設置方式，通過在蓋板與液封底座之間設置防溢蓋，可有效防止防腐料從液封底座與蓋板之間洩漏。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述金屬棒上還套設有第二封接環，所述第二封接環的一端抵持於所述陶瓷管上，並與陶瓷管密封接觸。此設置方式，通過在金屬棒與陶瓷管之間設置第二封接環，進一步提高了金屬棒與陶瓷管的密封效果。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述第二封接環靠近陶瓷管的一端向外翻卷形成第二卷邊，所述第二卷邊與所述陶瓷管密封接觸。此設置方式，可有效提高陶瓷管與第二封接環的密封性。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述蓋板包括置於凸起部和與凸起部成一體的折彎部，所述凸起部置於所述密封空腔內，且與所述液封底座之間保留預定間隙，所述折彎部置於密封空腔外。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述陶瓷管、金屬棒、第一封接環和第二封接環的表面為粗糙度介於1.2至2.4的平面或曲面，所述陶瓷管、金屬棒、第一封接環和第二封接環的位置固定後，在氫氣氛保護下用金屬化工藝進行高溫處理，實現陶瓷管、金屬棒、第一封接環和第二封接環間的連接
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述防溢蓋為的材質為耐電池正負極材料和電解質材料腐蝕的氧化鈹、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、金剛石、單晶矽、多晶矽和碳化矽中的一種或一種以上。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述防腐料為氟化鈉、氟化鉀、氟化鋰、氟化鎂、氯化鈉、氯化鎂、氯化鉀、溴化鋰和鋰酸鋁中的一種或一種以上，所述防腐料的熔點介於150℃～750℃。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述陶瓷管為玻璃、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鎂陶瓷和剛玉陶瓷中的一種。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述第一封接環和第二封接環為鐵鎳合金、鐵鎳鈷合金、鐵鎳鉻合金和鐵鉻合金中的一種。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述金屬棒為鋁棒、銅棒、鎳棒、鎢棒、鈦棒、鉭棒、鉑金棒、不鏽鋼棒中的一種或幾種組成的合金。
另一方面，本發明還提出一種儲能電池，包括電池殼體和設置於電池殼體上的密封絕緣防腐系統，所述密封絕緣防腐系統為根據權利要求1至13中任一項所述的密封絕緣防腐系統。
本發明的另一技術方案在於在上述基礎之上，所述密封絕緣防腐系統通過蓋板與所述電池殼體固定連接；所述儲能電池以金屬鋰、金屬鈉或者鋰鈉合金為負極、且其工作溫度在100～750℃。
附圖說明
構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。
圖1為本發明一種密封絕緣防腐系統的剖視示意圖；
圖2為儲能電池的剖視示意圖。
附圖標記對應關係為：
1金屬棒 2陶瓷管 3第一封接環
4第二封接環 5蓋板 6防溢蓋
7液封底座 8防腐料 9凸起部
10電池殼體 11第一卷邊 12第二卷邊
13折邊
具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細描述，本部分的描述僅是示範性和解釋性，不應對本發明的保護範圍有任何的限制作用。此外，本領域技術人員根據本文件的描述，可以對本文件中實施例中以及不同實施例中的特徵進行相應組合。
本發明實施例如下，請參見圖1和圖2所示的密封絕緣防腐系統，包括用於引出電流的金屬棒1，金屬棒1豎直設置，金屬棒1的外圍分別固定設置絕緣部和液封底座7，液封底座7設置於絕緣部一側，即圖1中所示的上下位置關係，液封底座7靠近絕緣部的一側，即其上部設有向上折起的折邊13，並與絕緣部密閉接觸，在金屬棒1與液封底座7之間形成密封空腔，密封空腔用於裝盛防腐料8，絕緣部與液封底座7之間還設有可起導電作用的蓋板5，蓋板5優選為金屬蓋板5，蓋板5的一端插入密封空腔內，並與防腐料8接觸，而蓋板5的另一端則伸出密封空腔外。此結構的密封絕緣防腐系統，可在750度的極端高溫下工作，運用於儲能電池時，由於密封空腔內的防腐料8浸沒電池殼體10內陶瓷部分，避免了電池殼體10內活性物質與絕緣陶瓷管2的接觸，從而保證電池正常工作時電極和與其連接的設備之間的絕緣性、密封性和防腐性，有效提升了設備整體的安全性。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，如圖1所示，絕緣部具體為具有絕緣效果的陶瓷管2，陶瓷管2固定設置於金屬棒1上，陶瓷管2與蓋板5之間還設有第一封接環3，第一封接環3的下側與陶瓷管2密封接觸，右側與蓋板5密封接觸。此設置方式，在陶瓷管2與蓋板5之間設置第一封接環3，可以起到較好的密封作用，防止密封空腔內的防腐料8從陶瓷管2與蓋板5之間的縫隙洩漏。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，如圖1所示，第一封接環3為中空的圓環，其套設於陶瓷管2上，其邊緣的外側向下翻卷形成第一卷邊11，第一卷邊11與蓋板5密封接觸。此設置方式，第一封接環3設有與蓋板5密封接觸的第一卷邊11，其密封效果更好。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，如圖1所示，密封絕緣防腐系統還包括防溢蓋6，防溢蓋6具有絕緣功能，優選為陶瓷防溢蓋6，防溢蓋6蓋設於液封底座7的折邊13上，並與折邊13密封接觸，同時，防溢蓋6的內側還與蓋板5密封接觸。此設置方式，通過在蓋板5與液封底座7之間設置防溢蓋6，可有效防止防腐料8從液封底座7與蓋板5之間洩漏。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，如圖1所示，金屬棒1上還套設有第二封接環4，第二封接環4的上端抵持於陶瓷管2上，並與陶瓷管2密封接觸。此設置方式，通過在金屬棒1與陶瓷管2之間設置第二封接環4，進一步提高了金屬棒1與陶瓷管2的密封效果。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，如圖1所示，為增大第二封接環4與陶瓷管2之間的密封性，第二封接環4靠近陶瓷管2的一端，即圖中所示的上端向外側彎折形成第二卷邊12，第二卷邊12的上部與陶瓷管2密封接觸。此設置方式，可有效提高陶瓷管2與第二封接環4的密封性。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，如圖1所示，蓋板5具體包括凸起部9和與凸起部9成一體的折彎部，凸起部9置於密封空腔內，並與防腐料8接觸，且與所述液封底座7之間保留預定間隙，折彎部則置於密封空腔外，剖面形狀為兩個相對的橫置L形，並用於與其它導電部件固定連接。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，陶瓷管2、金屬棒1、第一封接環3和第二封接環4的表面為粗糙度介於1.2至2.4的平面或曲面，陶瓷管2、金屬棒1、第一封接環3和第二封接環4通過金屬化的方式裝配成金屬化件，即在絕緣陶瓷管2、金屬棒1、金屬封接環間的接觸面絲印金屬化膏，加工時，通過夾具試壓，並固定陶瓷管2、金屬棒1、第一封接環3和第二封接環4的位置，之後，再在氫氣氛保護下用金屬化工藝進行高溫處理，即陶瓷管、金屬棒、第一封接環和第二封接環在氫氣氛保護下用金屬化工藝進行高溫處理，實現陶瓷管2、金屬棒1、第一封接環3和第二封接環4間的固定連接和密封。更進一步地，液封底座7通過焊接方式固定在金屬棒1上，並置於陶瓷管2下側；金屬棒1、第一封接環3和第二封接環4均採用與絕緣陶瓷管2熱膨脹係數相近或基本一致的金屬材料。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，對於防溢蓋6，其材質優選為耐電池正負極材料和電解質材料腐蝕的氧化鈹、氮化硼、氮化鋁、氮化矽、金剛石、單晶矽、多晶矽和碳化矽中的一種或一種以上。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，對於防腐料8，其材料優選為氟化鈉(NaF)、氟化鉀(KF)、氟化鋰(LiF)、氟化鎂(MgF2)、氯化鈉(NaCl)、氯化鎂(MgCl2)、氯化鉀(KCl)、溴化鋰(LiBr)和鋰酸鋁(AlLiO2)中的一種或一種以上，並且，防腐料8的熔點介於150℃～750℃之間。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，對於陶瓷管2，優選為玻璃、氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鎂陶瓷和剛玉陶瓷中的一種。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，對於第一封接環3和第二封接環4，其材質優選為鐵鎳合金(Fe-Ni)、鐵鎳鈷合金(Fe-Ni-CO)、鐵鎳鉻合金(Fe-Ni-Cr)和鐵鉻合金(Fe-Cr)的一種。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，對於金屬棒1，優選為鋁棒、銅棒、鎳棒、鎢棒、鈦棒、鉭棒、鉑金棒、不鏽鋼棒中的一種或幾種組成的合金。
另一方面，如圖2所示，本發明還提出一種儲能電池，包括電池殼體10和設置於電池殼體10上的密封絕緣防腐系統，密封絕緣防腐系統為如上所述的密封絕緣防腐系統。
在上述實施例的基礎上，本發明另一實施例中，如圖2所示，密封絕緣防腐系統通過蓋板5與所述電池殼體10固定連接。此外，儲能電池以金屬棒1為正極，以金屬鋰、金屬鈉或者鋰鈉合金為負極，且其工作溫度在100～750℃。
上述結構的密封絕緣防腐系統和儲能電池，原理如下：
首先，本發明利用液封的原理實現第一道密封、防腐和絕緣功能，即在金屬化件下端加裝的液封底座7和液封用防腐料8構成的液封裝置。防腐料8選用導離子但不導電子的低熔點鹽，將鹽填充在液封底座7中，當電池在中高溫(150℃～750℃)下工作時，液封底座7中的鹽發生固液相轉變熔化成液態，並鋪展在液封底座7中,從而達到液封的目的，可有效阻止電極材料、電解質材料等活性物質從電池殼體10內向外洩露或者腐蝕絕緣陶瓷管2，以及電池殼體10外部的氧氣、水分等進入到電池內部。
防溢蓋6兼具絕緣和防止熔融態防腐料8溢出的功能。金屬棒1、防溢蓋6、液封底座7和防腐料8可以直接和電池殼體10中的金屬或金屬蒸氣(300～750℃下負極金屬氣化形成，負極可以為鋰、鈉等鹼土金屬或鹼金屬的合金)接觸，實現密封並耐鋰、鈉、鎂及其合金腐蝕。
其次，本發明利用金屬化的原理實現第二道密封、防腐和絕緣的功能，即在陶瓷管2下端面和金屬棒1下端間用金屬化處理連接第二封接環4，使陶瓷管2、第二封接環4和金屬棒1形成連接；在陶瓷管2上端面和蓋板5內側採用金屬化處理連接第一封接環3，使陶瓷管2、第一封接環3和蓋板5連接。經過金屬化處理的金屬棒1、陶瓷管2、第一封接環3、第二封接環4及蓋板5具有密封的功能，其中陶瓷管2兼具密封和絕緣的功能。蓋板5凸起部9下端浸沒在液封底座7中的防腐料8中，從而阻止了電池殼體10內電極材料、電解質材料等活性物質從內向外腐蝕絕緣陶瓷管2，達到防腐的目的。
更進一步的，選用在不同溫度時具有相近膨脹係數的金屬和陶瓷材料進行匹配，再利用金屬化的原理來實現該中高溫防腐系統的密封絕緣防腐功能。
綜上，本發明在金屬化加工的基礎上，利用物理密封和液封的原理，在正極和負極間巧妙地實現雙重密封，具有優良的氣密性和防腐蝕性能，保障了儲能電池在150℃～750℃間工作時的使用壽命，同時兼具絕緣和小型化的特點。本發明在保證機械強度的前提下極大地減小了電池體積，彌補了目前單一採用物理裝配、液封、化學粘結等方式實現密封的簡易密封絕緣防腐裝置無法縮小電池單體體積的不足，同時簡化了結構，降低了成本。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。