一種提高功率和容量的鈉電池的製作方法

2024-02-11 05:26:15

專利名稱：一種提高功率和容量的鈉電池的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種鈉電池，尤其是一種提高功率和容量的鈉電池。
背景技術：
鈉電池的研究應用始於1960年，首先是FORD公司研究用於汽車上的鈉硫電池，經過50年的發展，越來越多的電池生產商將鈉電池商業化生產。現有鈉電池根據反應物的不同可分為鈉氯化物電池或鈉硫電池，其中以鈉氯化物電池為例，鈉氯化物電池的高功率密度和高能量密度，使其在儲能方面有著突出的表現。如圖I所示，鈉氯化物電池的正極5a為可採用氯化鈉、鎳粉、氟化鈉和硫化鐵等物 質組成的混合物，負極2a為液態金屬鈉，固體電解質為β "-Al2O3陶瓷材料，第二電解質4a 為NaAlCl4。其中，該β 」-Α1203陶瓷管3a作為電解質兼隔膜，它是電絕緣體，但是對鈉離子是導體，在正負極間可傳遞鈉離子。鈉電池包括徑向截面為圓柱形或方形的殼體la，該殼體Ia內填充有作為負極2a的液態鈉，該液態鈉內插設有β 」-Al2O3陶瓷管3a，該β 」-Al2O3陶瓷管3a內填設有第二電解質4aNaAlCl4和正極5a，柱狀的正極觸頭51a插設於第二電解質4aNaAlCl4和正極5a的混合組成物內並延伸至殼體Ia外。由於β 」_Α1203陶瓷管3a在液態鈉中無法固定且不能與殼體Ia直接接觸，為了穩定地安置β "-Al2O3陶瓷管3a，故在β 」 -Al2O3陶瓷管3a的上端開口處通過玻璃化SiO2粘結有a -Al2O3陶瓷密封蓋6a，該a -Al2O3陶瓷密封蓋6a上依次間隔並熱壓有與正極5a焊接連接的內鎳環7a和與殼體Ia焊接連接的外鎳環8a，從而使得β "-Al2O3陶瓷管3a以類似於懸臂結構懸置於殼體Ia中。其中，Ci-Al2O3陶瓷密封蓋6a相對於β」-Α1203陶瓷管3a來說是完全的電絕緣體，不允許鈉離子的通過，實現電池的正極、負極的完全隔開；又因為鎳材料對於NaAlCl4具有良好的抗腐蝕性，故內外鎳環採用鎳材料製成。現有的鈉氯化物電池均採用正極中心電極式結構,但是這將對鈉氯化物電池的容量造成限制。當鈉氯化物電池充放電時，以放電為例，電極反應首先發生在陶瓷管3a表面接觸的部位,然後再朝電池的中心方向移動,而在這過程中，鈉氯化物電池的電阻也將隨之發生變化。如圖2所示，X軸為放電深度(即放電量)，Y軸為鈉氯化物電池電阻。當剛開始放電時，電阻值很小；隨著反應層往電池的中心方向移動，電阻隨之增大。因此，正極5a厚度不能太大(此處，正極厚度為陶瓷管3a的內徑)，否則隨著鈉氯化物電池的放電，電阻將增加過大，從而影響鈉氯化物電池的正常工作使用。為此，現有的鈉氯化物電池中正極5a厚度一般小於25mm，也即保證鈉氯化物電池放電後期時電阻不至於過大，然而這無形中限制了鈉氯化物電池的單體容量，使得鈉氯化物電池的實際容量受到限制，同時電池內阻的增加還導致鈉氯化物電池的功率無法得到提高。為了提高鈉氯化物電池的容量和功率，現有方式為提高電極的反應面積，從而減少電阻，提高功率，具體方式為將陶瓷管3a的徑向截面改進呈十字梅花形，但是，這樣勢必導致陶瓷管3a的應力分布不均，提高了製造工藝的難度，增加了生產成本。發明內容為了克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種能提高自身功率和容量的鈉電池。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是一種提高功率和容量的鈉電池，包括殼體；懸置於所述殼體內的陶瓷管；填設於所述陶瓷管內的負極；插設於所述負極內並延伸至殼體外的負極觸頭；位於所述殼體和所述陶瓷管間的正極和第二電解質。進一步設置為所述殼體上設有供陶瓷管容設用的容置槽，該容置槽和陶瓷管同心設置，且該容置槽的內徑與所述陶瓷管的外徑之差為10-25mm。進一步優選設置為所述容置槽的內徑與所述陶瓷管的外徑之差為15_。採用上述技術方案，容置槽和陶瓷管的徑向截面為圓形且同心設置，也即陶瓷管周圍所接觸的正極在厚度上是均勻的，如此，鈉電池在反應過程中將始終保持一個穩定的反應功率。進一步設置為所述殼體和所述陶瓷管間設有陶瓷管支撐彈簧。採用上述技術方案，通過陶瓷管支撐彈簧對陶瓷管的支撐，則原來處於懸掛狀態的陶瓷管被抬起，也即陶瓷管和位於陶瓷管內第二電解質的重力被陶瓷管支撐彈簧所抵消，而且陶瓷管支撐彈簧的彈力範圍為1-1. 5倍陶瓷管和第二電解質的重力，使得陶瓷管被向上壓緊於Q-Al2O3陶瓷密封蓋上，在一定程度上提高陶瓷管和a-Al2O3陶瓷密封蓋間的密封性。由於陶瓷管和Ci-Al2O3陶瓷密封蓋間玻璃化物質所承受的重力受到陶瓷管支撐彈簧彈力的抵消，從而減少了玻璃化物質因為重力而出現裂縫情況的發生，進一步延長了鈉電池的使用壽命。進一步設置為所述殼體、陶瓷管和陶瓷管支撐彈簧均位於同一軸線上，所述陶瓷管支撐彈簧的一端與所述陶瓷管底部的外壁相抵靠，另一端與所述殼體底部的內壁相抵靠，所述陶瓷管底部的外壁和殼體底部的內壁間距離為5-50mm。進一步優選設置為所述陶瓷管底部的外壁和殼體底部的內壁間距離為35mm。採用上述技術方案，陶瓷管底部的外壁和殼體底部的內壁間距離的距離不可太大或太小，如果太大，則不利於陶瓷管支撐彈簧工作時的穩定性，如果太小，則不利於發揮陶瓷管支撐彈簧的作用。本實用新型的有益效果是該陶瓷管為一端開口，另一端封閉的筒狀結構，從而起到供第二電解質容置的作用。陶瓷管為β 」-Α1203陶瓷管，第二電解質為NaAlCl4。相對傳統的鈉電池，本實用新型是將負極與正極和第二電解質的位置進行相應的調整，從而在負極與正極和第二電解質體積比保持不變的情況下，也即在鈉電池容量恆定的情況下，降低正極了厚度，避免鈉電池反應後期電阻值的大幅增加，進而在一定程度上提高了鈉電池的功率，另還能在總體積不變的情況下提高鈉電池的容量。

圖I為傳統鈉電池的結構示意圖。圖2為鈉電池中放電深度和電阻值的XY散點圖。圖3為本實用新型實施例的結構示意圖。圖4為圖3的A-A剖視圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型作進一步描述如圖3、4所示，本實施例中正極2為氯化鈉、鎳粉、氟化鈉和硫化鐵等物質組成的混合物，負極5為液態金屬鈉，固體電解質為β "-Al2O3陶瓷管4，第二電解質3為NaAlCl4。陶瓷管4作為電解質兼隔膜，它是電絕緣體，但是對鈉離子是導體，在正負極間可傳遞鈉離子。本實施例包括截面為圓柱形的殼體1，該殼體I上開設有容置腔11，該容置腔11內填充有正極2和作為鈉離子運動介質的第二電解質3NaAlCl4，該正極2和第二電解質3混合物中插設有β "-Al2O3陶瓷管4，該β "-Al2O3陶瓷管4內填設有負極5液態鈉，該負極5液態鈉中插設有負極觸頭51並延伸至殼體I外。在β "-Al2O3陶瓷管4的上端開口處通過玻璃化SiO2粘結有a -Al2O3陶瓷密封蓋6，該a -Al2O3陶瓷密封蓋6上依次間隔熱壓有與負極觸頭51焊接連接的內鎳環7和與殼體I焊接連接的外鎳環8，從而使得β 」-Al2O3陶 瓷管4懸置於殼體I中。其中，容置腔11、陶瓷管4和柱狀負極觸頭51同心設置，該容置腔11的內徑與陶瓷管4的外徑之差為15_。其中，正極還可以採用鎳粉、氟化鈉、硫化鐵等物質組成的混合物。a -Al2O3陶瓷密封蓋6相對於β 」 -Al203陶瓷管4來說是完全的電絕緣體，不允許鈉離子的通過；又因為鎳材料對於NaAlCl4具有良好的抗腐蝕性，故內外鎳環採用鎳材料製成。殼體I和陶瓷管4間設有陶瓷管支撐彈簧9，殼體I底部的內壁和陶瓷管4底部的外壁間距離為35mm，且設有對陶瓷管4其支撐作用的陶瓷管支撐彈簧9，該殼體I、陶瓷管4和陶瓷管支撐彈簧9均位於同一軸線上，殼體I底部的內壁上設有供所述陶瓷管支撐彈簧9容置用的下容置坑(圖中未畫出)，陶瓷管4底部的外壁上設有供所述陶瓷管支撐彈簧9容置用的上容置坑(圖中未畫出)。負極5位於陶瓷管4內，相對鈉電池的結構位於鈉電池的中央，故可稱之為負極5置中；反之，則為正極置中。當負極5置中時，由於第二電解質3NaAlCl4具有較強的腐蝕問題，所以殼體I須採用純鎳板或者碳鋼板成型後鍍鎳的方式。另外，所謂正極厚度為正極2在殼體I徑向截面上沿徑向所經長度值，該正極厚度直接影響著鈉電池功率大小和穩定性。本實用新型中，該陶瓷管4為一端開口，另一端封閉的筒狀結構，從而起到供負極5容置。相對傳統的鈉電池而言，負極5的體積正極2和第二電解質3之和的體積為I (1.8-2. 5)，本例取體積比為I : 2，即負極5體積為70ml時，正極2和第二電解質3之和的體積為140ml。如果採用負極5為置中結構時，陶瓷管4長度為200mm，內徑為20mm，殼體I長度為235mm，電池殼體I的內徑為35mm，那麼，此時正極2的電極厚度為13mm ;如果採用正極2為置中結構時，陶瓷管4長度仍為200mm，殼體I長度仍為235mm，則電池殼體I內徑仍為35mm,但是,陶瓷管內徑將為31mm,也即正極厚度為31mm。那麼，從上述計算中可推出，當鈉電池上負極5置中較正極置中相比，在相同的負極與正極2和第二電解質3的體積比下，正極2厚度明顯下降，故在鈉電池工作過程中將有效降低電阻的增幅，從而提高鈉電池工作時的功率及工作穩定性。採用負極5置中後，由於減少了電阻，故可以避免採用複雜的十字形陶瓷管結構來提高功率，有利於鈉電池市場上的推廣。
權利要求1.一種提高功率和容量的鈉電池，其特徵是包括 殼體； 懸置於所述殼體內的陶瓷管； 填設於所述陶瓷管內的負極； 插設於所述負極內並延伸至殼體外的負極觸頭； 位於所述殼體和所述陶瓷管間的正極和第二電解質。
2.根據權利要求I所述的提高功率和容量的鈉電池，其特徵是所述殼體上設有供陶瓷管容設用的容置槽，該容置槽和陶瓷管同心設置，且該容置槽的內徑與所述陶瓷管的外徑之差為10-25mm。
3.根據權利要求2所述的提高功率和容量的鈉電池，其特徵是所述容置槽的內徑與所述陶瓷管的外徑之差為15mm。
4.根據權利要求I所述的提高功率和容量的鈉電池，其特徵是所述殼體和所述陶瓷管間設有陶瓷管支撐彈簧。
5.根據權利要求4所述的提高功率和容量的鈉電池，其特徵是所述殼體、陶瓷管和陶瓷管支撐彈簧均位於同一軸線上，所述陶瓷管支撐彈簧的一端與所述陶瓷管底部的外壁相抵靠，另一端與所述殼體底部的內壁相抵靠，所述陶瓷管底部的外壁和殼體底部的內壁間距離為5_50mm。
6.根據權利要求5所述的提高功率和容量的鈉電池，其特徵是所述陶瓷管底部的外壁和殼體底部的內壁間距離為35mm。
專利摘要本實用新型公開了一種提高功率和容量的鈉電池，包括殼體；懸置於所述殼體內的陶瓷管；填設於所述陶瓷管內的負極；插設於所述負極內並延伸至殼體外的負極觸頭；位於所述殼體和所述陶瓷管間的正極和第二電解質。陶瓷管為β」-Al2O3陶瓷管，第二電解質為NaAlCl4。相對傳統的鈉電池，本實用新型是將負極與正極和第二電解質的位置進行相應的調整，從而在負極與正極和第二電解質體積比保持不變的情況下，也即在鈉電池容量恆定的情況下，降低正極了厚度，避免鈉電池反應後期電阻值的大幅增加，進而在一定程度上提高了鈉電池的功率，另還能在總體積不變的情況下提高鈉電池的容量。
文檔編號H01M10/36GK202651299SQ20122015759
公開日2013年1月2日 申請日期2012年4月13日 優先權日2012年4月13日
發明者胡云武 申請人:杭州旭瑞能源工程有限公司