一種用於鈉硫電池的安全結構的製作方法

2023-10-29 07:46:02

專利名稱：一種用於鈉硫電池的安全結構的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及儲能領域的一種用於鈉硫電池的安全結構。
背景技術：
鈉硫電池的核心關鍵材料是β "-Al2O3製成的陶瓷電解質管，電池循環壽命在很大程度上取決於陶瓷電解質管的質量性能。一旦陶瓷電解質管有微裂紋或者破裂，液態鈉和液態硫直接接觸發生劇烈反應，溫度最高可達2000°C，瞬間熔化鈉硫電池中金屬組件，造成活性物質洩漏。因此必須在鈉硫電池中設計安全結構，避免上述情況的發生。如圖1所示，在申請日為2011年12月16日，申請號為201120528962.6，名稱為鈉硫電池的專利申請中公布了 一種技術方案，該方案中的鈉硫電池包括從外向內依次套接的陶瓷電解質管1、安全管100和儲鈉管2，儲鈉管2的底面上開有底部通孔21。鈉硫電池工作時，安全管100與陶瓷電解質管I之間形成鈉硫電池的陰極室Rl，陰極室的寬度為0.01
0.1mm。儲鈉管2中儲存的液態鈉，先從底部通孔21中流出，進入儲鈉管2與安全管100之間的安全間隙R3，並沿著安全間隙R3上升，然後，液態鈉從安全管100的頂部溢出，進入陰極室R1，並通過陶瓷電解質管I與陽極室R2內的液態硫發生反應，生成多硫化鈉。當陶瓷電解質管I破裂時，隨著電池溫度的升高，安全管100和陶瓷電解質管I膨脹，由於安全管100是由不鏽鋼或鋁合金製成的，陶瓷電解質管是由β 」-Al2O3製成的，因此安全管100的膨脹程度遠大於陶瓷電解質管1，因此，陶瓷電解質管I和安全管100之間的陰極室Rl封閉，防止反應進一步進行。這樣設計的缺陷在於:安全管100的長度增加，增加了材料的消耗，另外一方面，陶瓷電解質管I加工精度有著嚴格的要求，比如陶瓷電解質管I底面的圓度偏差必須小於
0.04mm，增加了製造成本，更為關鍵的是，安全管100和陶瓷電解質管I之間的間隙無法永久封閉。

實用新型內容本實用新型的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種用於鈉硫電池的安全結構，其能夠在陶瓷電解質管破裂或出現微裂紋時，防止液態鈉流入鈉硫電池的陰極室的同時，降低對陶瓷電解質管加工精度的要求。實現上述目的的一種技術方案是:一種用於鈉硫電池的安全結構，包括陶瓷電解質管和套接在所述陶瓷電解質管內的儲鈉管，所述陶瓷電解質管和儲鈉管之間形成陰極室;所述儲鈉管的底部連接一儲鈉管半球，所述儲鈉管和所述儲鈉管半球之間設有隔板，該隔板上開有至少一個第一通孔；所述儲鈉管半球底面的中心設有第二通孔，所述第二通孔的正上方，設有與所述隔板底面彈性連接，並能將所述第二通孔封閉的封堵部件。進一步的，所述封堵部件與所述隔板之間通過熔絲和彈簧連接，所述熔絲的熔點小於所述彈簧的熔點，且所述彈簧始終處於壓縮狀態。[0009]進一步的，所述隔板的底面上，圍繞所述封堵部件設有導向部件。再進一步的，所述隔板的底面上，圍繞所述封堵部件設有導向部件，所述導向部件與所述隔板連接處設有徑向小孔，所述熔絲通過該徑向小孔與所述隔板的底面固定。進一步的，所述陶瓷電解質管外壁的底面設有絕緣塗層。再進一步的，所述絕緣塗層是由α氧化鋁塗層。進一步的，所述封堵部件的形狀為截面面積上大下小的圓錐體。採用了本實用新型的一種用於鈉硫電池的安全結構的技術方案，即在鈉硫電池的儲鈉管的底部連接一儲鈉管半球，所述儲鈉管和所述儲鈉管半球之間設有隔板，該隔板上開有至少一個第一通孔；所述儲鈉管半球底面的中心設有第二通孔，所述第二通孔的正上方，設有與所述隔板底面彈性連接，並能將所述第二通孔封閉的封堵部件的技術方案。其技術效果是:其能夠在陶瓷電解質管破裂或出現微裂紋時，防止液態鈉流入鈉硫電池的陰極室的同時，並降低對陶瓷電解質管加工精度的要求。

圖1為現有技術鈉硫電池的結構示意圖。圖2為本實用新型的一種用於鈉硫電池的安全結構的示意圖。圖3為圖2中A部分的局部示意圖。圖4為圖2種A部分的工作狀態示意圖。
具體實施方式
請參閱圖2至圖4，本實用新型的發明人為了能更好地對本實用新型的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，並結合附圖進行詳細地說明:實施例1請參閱圖2至圖4，本實用新型的一種用於鈉硫電池的安全結構包括陶瓷電解質管1，儲鈉管2，以及連接在儲鈉管2底部的儲鈉管半球3，儲鈉管半球3和儲鈉管2之間設有隔板4。隔板4上設有至少一個第一通孔41，供儲鈉管2內的液態鈉流入儲鈉管半球3。儲鈉管半球3的底面的中心設有第二通孔31，使得儲鈉管半球3內的液態鈉流入儲鈉管2和陶瓷電解質管I之間的陰極室R1，而陰極室Rl內的液態鈉通過陶瓷電解質管I對鈉離子的傳導作用，與存儲在陶瓷電解質管I和金屬殼體8之間陽極室R2內的液態硫發生反應。在第二通孔31的正上方，設有與隔板4底面彈性連接，並能將第二通孔31封閉的封堵部件5。當鈉硫電池的陶瓷電解質管I發生破裂，鈉硫電池的溫度升高時，該封堵部件5可在彈性力的作用下豎直下降，將第二通孔31封閉，防止液態鈉進入陰極室Rl，與液態硫的進一步反應，起到安全保護的作用，同時對於陶瓷電解質管I加工精度的要求下降，陶瓷電解質管I底面的圓度可以大於0.04mm,降低了鈉硫電池的製造成本。本實施例中，封堵部件5不能和液態鈉發生反應，因此其優選的材質為不鏽鋼。本實施例中，封堵部件5的優選形狀為截面面積上大下小的圓錐體或者圓錐臺，採用圓錐體或者圓錐臺的好處在於:它們都有一個導向角Θ，導向角Θ可使封堵部件5準確地封閉第二通孔31。本實施例中儲鈉管2和隔板4均採用的是與液態鈉不發生反應的不鏽鋼。[0025]實施例2請參閱圖2至圖4，實施例2是對實施例1的進一步細化，本實施例中，所述封堵部件5是通過熔絲61和彈簧62與隔板4底面連接的。本實施例中要求彈簧62的熔點要大於熔絲61的熔點，並且彈簧62要始終處於壓縮狀態。本實施例中要求彈簧62在高溫下仍具有彈力，同時彈簧62不能和液態鈉發生反應，因此本實用新型中有優選包含鉻、鑰、鎳、鈦以及稀土元素的耐高溫不鏽鋼來製作彈簧62，彈簧62的圈數六至十圈，以確保封堵部件5將第二通孔31封閉後，彈簧62依舊對封堵部件5保持壓力。本實施例中所選用的熔絲61也不能和液態鈉反應，因此優選包含鋁錳鎂等元素的鋁合金絲，該鋁合金絲的熔點在580°C左右。由於本實施例中，封堵部件5的質量約為10g，因此本實用新型中熔絲61的優選為的直徑為0.6-1.2mm，這是因為熔絲61的拉力隨著溫度的升高而下降，若熔絲直徑小於
0.6mm,在400°C條件下，熔絲61的拉力小於彈簧62的彈力甚至熔絲61發生斷裂，封堵部件5提前下落，將第二通孔31封閉，鈉硫電池無法工作。熔絲61的直徑大於1.2mm,電池溫度升至450°C時，彈簧62的彈力仍然小於熔絲61的拉力，封堵部件5無法落下，儲鈉管2對液態鈉的供給無法停止，起不到安全保護的作用。熔絲61的直徑為0.6-1.2mm，熔絲61的拉力和彈簧62的彈力相等的溫度在400 450°C之間。在本實用新型的一種用於鈉硫電池的安全結構尚未啟動時，在熔絲61的拉力的作用下，彈簧62處於壓縮狀態，因而彈簧62中存儲著能量，若鈉硫電池溫度持續升高，熔絲61的拉力和彈簧62的彈力相等時，彈簧62中存儲著能量會因為熔絲61拉力的下降而釋放，致使封堵部件5落下，封閉第二通孔31。同時，彈簧的熔點大於1200°C，並且在封堵部件5將第二通孔31封閉後，彈簧62依舊保持壓縮狀態，對封堵部件5保持壓力，這樣第二通孔31處於永久的封閉狀態，提高了鈉硫電池的安全性。實施例3實施例3是在實施例2上的進一步改進，本是實施例隔板4的底面上圍繞封堵部件5的圓周設有導向部件7，該導向部件7用以引導封堵部件5豎直下落，將第二通孔31封閉。本實施例中，導向部件7是圍繞封堵部件5圓周設置的空心圓筒。該空心圓筒通過焊接與隔板4的底面固定。該空心圓筒採用的是不鏽鋼材質，優選地選用含8%-20%鉻的奧氏體不鏽鋼，這樣可以減小該空心圓筒內壁與封堵部件5之間的軸向摩擦力。該空心圓筒的底面與儲鈉管半球3之間留有間隙，以便在鈉硫電池工作時，讓液體鈉流過。該空心圓筒的上部，即該空心圓筒與隔板5的連接處設有徑向小孔71，該徑向小孔71的主要作用是固定熔絲61，該徑向小孔71的直徑約為1.5mm。同時該空心圓筒內壁的粗糙度Ra2與封堵部件5側壁的粗糙度Ral均小於0.2mm,以減小該空心圓筒與封堵部件5之間軸向摩擦力，保證封堵部件5迅速豎直下落，將第二通孔31封閉。實施例4實施例4是在實施例1、實施例2或實施例3上的改進。本實施例中對陶瓷電解質管I外壁的底面進行局部表面改性。即在陶瓷電解質管I外壁的底面上塗覆絕緣塗層11，該絕緣塗層11對鈉離子不具有傳導作用，該絕緣塗層11多由無機氧化物組成。本實施例中，絕緣塗層11優選的材料為α氧化鋁，通過超音速等離子熱噴塗方法將粒度在-140目-+325目α氧化鋁粉末噴塗在陶瓷電解質管I外壁的底面，形成絕緣塗層11。該絕緣塗層11的孔隙率〈5%。為了壓縮成本，該絕緣塗層11隻覆蓋了不超過75%的陶瓷電解質管I外壁的底面。為了減輕α氧化鋁粉末對陶瓷電解質管I的熱衝擊力，噴塗過程中，噴塗距離控制在50-90mm。當然，該絕緣塗層11還可以採用其它氧化物，如立方氧化鋯，氧化鋅，二氧化鈦等。通過在陶瓷電解質管I的底面塗覆絕緣塗層11，防止陶瓷電解質管I的底部參與硫和鈉的反應，保護陶瓷電解質管I底部破裂而造成液態硫和液態鈉發生劇烈反應。
權利要求1.一種用於鈉硫電池的安全結構，包括陶瓷電解質管(I)和套接在所述陶瓷電解質管(O內的儲鈉管(2)，所述陶瓷電解質管(I)和儲鈉管(2)之間形成陰極室(R1)，其特徵在於: 所述儲鈉管(2)的底部連接一儲鈉管半球(3)，所述儲鈉管(2)和所述儲鈉管半球(3)之間設有隔板(4)，該隔板(4)上開有至少一個第一通孔(41);所述儲鈉管半球(3)底面的中心設有第二通孔(31)，所述第二通孔(31)的正上方，設有與所述隔板(4)底面彈性連接，並能將所述第二通孔(31)封閉的封堵部件(5)。
2.根據權利要求1所述的一種用於鈉硫電池的安全結構，其特徵在於:所述封堵部件(5)與所述隔板(4)之間通過熔絲(61)和彈簧(62)連接，所述熔絲(61)的熔點小於所述彈簧(62)的熔點，且所述彈簧(62)始終處於壓縮狀態。
3.根據權利要求1或2所述的一種用於鈉硫電池的安全結構，其特徵在於:所述隔板(4 )的底面上，圍繞所述封堵部件(5 )設有導向部件(7 )。
4.根據權利要求2所述的一種用於鈉硫電池的安全結構，其特徵在於:所述隔板(4)的底面上，圍繞所述封堵部件(5)設有導向部件(7)，所述導向部件(7)與所述隔板(4)連接處設有徑向小孔(71)，所述熔絲(61)通過該徑向小孔(71)與所述隔板(4)的底面固定。
5.根據權利要求1或2或4任意一項所述的一種用於鈉硫電池的安全結構，其特徵在於:所述陶瓷電解質管(I)外壁的底面設有絕緣塗層(11)。
6.根據權利要求5所述的一種用於鈉硫電池的安全結構，其特徵在於:所述絕緣塗層(11)是由α氧化鋁塗層。
7.根據權利要求1或2或4中任意一項所述的一種用於鈉硫電池的安全結構，其特徵在於:所述封堵部件(5)的形狀為截面面積上大下小的圓錐體。
專利摘要本實用新型公開了儲能領域一種用於鈉硫電池的安全結構，包括陶瓷電解質管和套接在所述陶瓷電解質管內的儲鈉管，所述陶瓷電解質管和儲鈉管之間形成陰極室；所述儲鈉管的底部連接一儲鈉管半球，所述儲鈉管和所述儲鈉管半球之間設有隔板，該隔板上開有至少一個第一通孔；所述儲鈉管半球底面的中心設有第二通孔，所述第二通孔的正上方，設有與所述隔板底面彈性連接，並能將所述第二通孔封閉的封堵部件。其技術效果是其能夠在陶瓷電解質管破裂或出現微裂紋時，防止液態鈉流入鈉硫電池的陰極室的同時，降低對陶瓷電解質管加工精度的要求。
文檔編號H01M10/38GK202996992SQ201220686398
公開日2013年6月12日 申請日期2012年12月12日 優先權日2012年12月12日
發明者龔明光, 潘紅濤, 韓金鐸, 茅雁, 劉宇, 陸志清 申請人:上海電氣鈉硫儲能技術有限公司