鈉硫電池的製作方法

2023-04-26 08:28:01

專利名稱：鈉硫電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鈉硫電池。
背景技術：
鈉硫電池(下面，稱之為「NaS電池」)是在300_350°C下工作的高溫二次電池，採用如下結構在陽極容器內，將作為陽極活性物質的硫磺和作為陰極活性物質的鈉分別隔離容納在由P -氧化鋁形成的固體電解質管的內外，並將陽極容器內密封為密閉狀態，使得活性物質保持不與外氣接觸的狀態。由於NaS電池的陽極活性物質硫磺為絕緣物，為確保陽極和陰極之間的導通、降低電池的內阻，通常要配置陽極集電體。陽極集電體是將硫磺含浸於具有導電性的碳纖維構成的毛氈狀的基體材料而構成的部件，以與陽極容器內側面和固體電解質管外側面接觸的狀態容納於陽極容器中。進而，這樣的陽極集電體在與固體電解質管接合一側的表面具有通過針刺絡合打入絕緣性物質玻璃纖維而形成的高電阻區域。由於高電阻區域使固體電解質管和陽極集電體的接觸面附近的導電性降低，因此可以防止充電時電子授受反應僅在固體電解質管和陽極集電體的接觸面附近進行。因此，在該部分析出絕緣物硫磺，從而能夠防止隨著充電反應的進行而出現的由電池內阻上升所導致的充電恢復性降低(即使殘留有多硫化鈉，也不進行充電反應，充電不完全的現象)的現象。

實用新型內容實用新型要解決的問題但是，在陽極容器的底蓋上面和固體電解質管底面之間通常設有一定的間隔。但是，如果電池的溫度從使用溫度降低到硫磺凝固的溫度，則在這個間隙中多硫化鈉等發生固化而限制了陽極容器和固體電解質管，並且在該狀態下溫度進一步下降而到達常溫的過程中，由陶瓷構成的固體電解質管和金屬制陽極容器的熱膨脹率的差異導致所述間隙變小，因此，在固體電解質管底部發生局部應力，從而存在該固體電解質管破損的問題。本實用新型是著眼於這樣的現有技術問題而做出的，其目的在於提供一種降低電池降溫時在固體電解質管產生的應力而能夠防止固體電解質管破損的鈉硫電池。解決問題的手段為達到上述目的，本實用新型的NaS電池，其具備金屬制陽極容器，其具有筒部和堵塞該筒部下端部的底蓋；有底筒狀的固體電解質管，其容納於所述陽極容器內並與所述陽極容器內面相隔固定間隔且內部填充有鈉；毛氈狀第一陽極集電體，其含浸有硫磺並以與所述陽極容器內側面和所述固體電解質管外側面接觸的狀態容納於所述陽極容器中。 其特徵在於，其還具備毛氈狀第二陽極集電體，其含浸有硫磺並以與所述陽極容器的底蓋上面和所述固體電解質管的底面接觸的狀態容納於所述陽極容器中，所述第一陽極集電體和第二陽極集電體包含由碳纖維構成的毛氈狀基體材料和絡合於所述基體材料的玻璃纖維，所述第二陽極集電體的玻璃纖維相對於所述基體材料的重量比在20%以下。此處，優選地，所述陽極容器的底蓋上面和固體電解質管的底面之間的間隔為所述固體電解質管底部壁厚的0. 5倍以上5倍以下。另外，優選地，所述固體電解質管的底部角形成為具有規定曲率半徑的曲面，所述第二陽極集電體的上面以與所述曲面相對應的方式形成，並與所述曲面的至少一部分接觸。另外，優選地，所述第二陽極集電體的壓縮率在70%以下。此外，在此壓縮率是指壓縮前的體積減去壓縮後的體積之後除以壓縮前的體積的值。實用新型效果在陽極容器底蓋的上面和固體電解質管底面之間的間隔設置能確保緩衝性的第二陽極集電體，由此降低電池降溫時在固體電解質管產生的應力，從而能夠防止固體電解質管的破損。

圖I是本實用新型的第一實施方案的NaS電池的剖面圖。圖2是本實用新型的第二實施方案的NaS電池的剖面圖。附圖標記說明UllNaS 電池2陽極金屬件3固體電解質管4側部陽極集電體(第一陽極集電體)8、18底部陽極集電體(第二陽極集電體)21 筒部22 底蓋
具體實施方式
以下參照附圖對本實用新型的第一實施方案的NaS電池進行說明。如圖I所示， NaS電池I具備陽極容器2，其具有筒部21和堵塞筒部21下端部的底蓋22 ;有底筒狀的固體電解質管3，其容納於陽極容器2內並與陽極容器2內面相隔規定間隔且在內部填充有鈉；毛氈狀的側部陽極集電體4(第一陽極集電體)，其含浸有硫磺並以與陽極容器2內側面和固體電解質管3外側面接觸的狀態容納於陽極容器2中；毛氈狀的底部陽極集電體 8 (第二陽極集電體)，其含浸有硫磺並與陽極容器2的底蓋22的上面和固體電解質管3底面接觸的狀態下容納於陽極容器2。在本實用新型中，該底部陽極集電體8作為緩衝材料而發揮作用，降低電池降溫時在固體電解質管3產生的應力，從而防止固體電解質管3的破損。固體電解質管3通過a-氧化鋁等構成的絕緣環5、接合於絕緣環5下面的陽極金屬件6與陽極容器2接合。另外，絕緣環6上面熱壓接合有陰極金屬件7。陽極容器2由鋁或鋁合金等軟質金屬形成。例如通過將底蓋22以嵌合於筒部21 下端部的狀態熔接等來製作陽極容器2。固體電解質管3由具有選擇性透過鈉離子功能的氧化鋁等形成。側部陽極集電體4和底部陽極集電體8包含由碳纖維構成的毛氈狀基體材料和絡合於基體材料內的玻璃纖維。此外，通常，玻璃纖維從固體電解質管3側絡合於基體材料內，從固體電解質管3側向陽極容器2側延伸並分布於基體材料的固體電解質管3側表面和基體材料內部。含浸硫磺之前的側部陽極集電體4和底部陽極集電體8的製作可以使用用於無紡布的毛氈加工等的針刺絡合機。針刺絡合機是能反覆進行如下操作的裝置，即將在頂端部、長尺寸方向的途中突出設置有多個有鉤的金屬針的針板垂直打入加工對象物並拔出。 另外，針刺絡合機還設置有傳送帶等移動單元，該移動單元能夠使加工對象物與針板打入同步地向水平方向移動。若採用這樣的針刺絡合機，從玻璃纖維側向積層體打入針板，則卡在金屬針的鉤部分的玻璃纖維與金屬針在厚度方向上一同被打入基體材料，其中，積層體是通過將由玻璃纖維形成的布狀體(例如無紡布等)、綿狀體在基體材料表面重疊而形成的。進而，在用傳送帶等使基體材料向水平方向移動的同時打入針板，由此就能在基體材料整體上以均勻的間隔打入玻璃纖維。在基體材料和玻璃纖維的積層體中繼續打入針板，則玻璃纖維被打入基體材料內而逐漸減少，在基體材料內部和表面形成玻璃纖維構成的高電阻區域。進一步繼續進行打入操作，則最終構成基體材料的碳纖維的一部分露出表面。由於基體材料一側表面被高電阻區域覆蓋、該部分的電阻高，因此，這樣形成高電阻區域的側部陽極集電體4和底部陽極集電體8能防止充電時僅在固體電解質管3與側部陽極集電體4或底部陽極集電體8的接觸面附近析出絕緣物硫磺而形成絕緣層的情況。因此，不會隨著充電反應的進行電池內阻上升，充電恢復性高，從這一點來講是優選的。另外，由於通過針刺絡合打入玻璃纖維而形成高電阻區域，因此玻璃纖維配置在基體材料的厚度方向上。將對多硫化鈉的潤溼性優異的玻璃纖維配置在基體材料的厚度方向上，則多硫化鈉沿著該玻璃纖維移動，從而促進側部陽極集電體4和底部陽極集電體8上的多硫化鈉的移動。另外，底部陽極集電體8以玻璃纖維相對於基體材料的重量比在20%以下的方式形成。如果玻璃纖維相對於基體材料的重量比超過20%，則作為基體材料的碳纖維減少而使底部陽極集電體8的強度降低、緩衝性受損。另外，優選地，底部陽極集電體8的壓縮率在70%以下。如果壓縮率大於70%，則由於底部陽極集電體8的恢復力變大從而使作用於固體電解質管3和絕緣環5的接合部的應力變大，因此接合部有可能出現破損。另外，優選地，陽極容器2的底蓋22上面和固體電解質管3的底面之間的間隔c 為固體電解質管3底部壁厚t的0. 5倍以上5倍以下。如果間隔c小於壁厚t的0. 5倍， 則底部陽極集電體8無法得到足夠的的緩衝性。另外，如果間隔c大於壁厚t的5倍，則降溫時在間隔c中固化的多硫化鈉等的量變多而使在固體電解質管產生的應力變大，固體電解質管3破損的危險性變高。接著，參照圖2對本實用新型的第二實施方案進行說明。第二實施方案的NaS電池11除了底部陽極集電體18上面的形狀不同於第一實施方案之外，其他的與第一實施方案結構相同。具體地，固體電解質管3的底部角3a形成為具有規定曲率半徑的曲面，底部陽極集電體18的上面與該曲面相對應地形成，且幾乎與曲面整體接觸。若採用本實施方案的NaS電池1，能進一步提高底部陽極集電體18的緩衝性。此外,如果底部陽極集電體18 上面與底部角3a的曲面的至少一部分接觸，則能進一步提高底部陽極集電體18的緩衝性。
權利要求1.一種鈉硫電池，其具備金屬制陽極容器，其具有筒部和堵塞該筒部下端部的底蓋； 有底筒狀的固體電解質管，其容納於所述陽極容器內並與所述陽極容器的內面相隔固定間隔且內部填充有鈉；毛氈狀第一陽極集電體，其含浸有硫磺並以與所述陽極容器的內側面和所述固體電解質管的外側面接觸的狀態容納於所述陽極容器中，其特徵在於，其還具備毛氈狀第二陽極集電體，其含浸有硫磺並以與所述陽極容器的底蓋上面和所述固體電解質管的底面相接觸的狀態容納於所述陽極容器中，所述第一陽極集電體和第二陽極集電體包含由碳纖維構成的毛氈狀基體材料和絡合於所述基體材料的玻璃纖維，所述第二陽極集電體的玻璃纖維相對於所述基體材料的重量比在20%以下。
2.根據權利要求I所述的鈉硫電池，其特徵在於，所述陽極容器的底蓋上面和固體電解質管的底面之間的間隔為所述固體電解質管底部壁厚的0. 5倍以上且5倍以下。
3.根據權利要求2所述的鈉硫電池，其特徵在於，所述固體電解質管的底部角形成為具有規定曲率半徑的曲面，所述第二陽極集電體的上面以與所述曲面相對應的方式形成，並與所述曲面的至少一部分相接觸。
4.根據權利要求3所述的鈉硫電池，其特徵在於，所述第二陽極集電體的壓縮率在 70%以下。
專利摘要本實用新型的鈉硫電池(1)具備金屬制陽極容器(2)；固體電解質管(3)，其容納於陽極容器內；毛氈狀第一陽極集電體(4)，其含浸有硫磺並以與陽極容器內側面和固體電解質管外側面接觸的狀態容納於陽極容器中。其還具備毛氈狀第二陽極集電體(8)，其含浸有硫磺並以與陽極容器的底蓋(22)上面和固體電解質管底面接觸的狀態容納於陽極容器中。陽極集電體包含由碳纖維構成的毛氈狀基體材料和絡合於所述基體材料的玻璃纖維。第二陽極集電體的玻璃纖維相對於基體材料的重量比在20％以下。通過在陽極容器的底蓋(22)上面和固體電解質管的底面之間的間隔設置具有能夠確保緩衝性的第二陽極集電體，由此能夠防止固體電解質管的破損。
文檔編號H01M10/38GK202352789SQ20112052776
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者須貝美步 申請人:日本礙子株式會社