鹼性金屬開關裝置的製作方法
2023-05-01 08:09:11
專利名稱:鹼性金屬開關裝置的製作方法
本發明涉及鹼性金屬開關裝置。
鹼性金屬電化學電池已經周知，目前人們特別進行了大量研究和開發的一種是鈉/硫電池。在這種電池中，採用鈉金屬作為電池的陽極，採用硫/鈉多硫化合物作為電池的陰極。電池工作在陽極和陰極材料均為液態時所需的溫度，陽極和陰極靠一種由可傳導鈉陽離子的電絕緣固體構成的電介質部件隔開。一種典型的電介質材料是β氧化鋁。在一個完全充了電的電池裡，陰極材料基本上都是硫。當電池放電時，鈉陽離子發生遷移，通過該電介質與鈉產生化學反應，形成多硫化鈉，直到所有的鈉基本上已從陽極區域遷移，或基本上所有的硫已經起反應形成一種最低態多硫化鈉時，該電池呈完全放電狀態。在該電池重新充電過程中，鈉從多硫化鈉中分離，通過電介質遷移回陽極區。
為了達到所需的總存儲容量和達到所需的輸出電壓，將鈉硫電池連接成電池網絡。如為了能提供所需的輸出電壓需要將電池串聯連接成串的話，一般在實踐中將這些不同串裡相對應電池再並聯連接，最好在每串等電位的相對應電池之間直接進行並聯連接。由於全充或全放時，單個電池有可能使電路開路(或由於某種損壞)，因而更需要上述那種電池組中各電池的串/並聯。如果只是在串聯連接的電池長串的末端進行並聯連接，那麼該串電池中某個電池開路時，這一整串電池則與電池組中其餘的電池斷開。
然而，當一個電池發生短路故障時，不同串間進行多重並聯連接的電池使整個電池組變得更易損壞，在該組中所有與之並聯連接的電池可能經該故障電池放電。結果，實際上目前使用電池組的結構是將幾個電池串聯成串，再把這些電池串並聯連接。完整的電池組是由若干這種並聯連接的電池串串聯連接構成的。
美國專利US-A-4414297公開了一種分流元件，該元件可以與電池組裡串聯連接的一串電池中某個電池並聯連接。當與該元件並聯連接的單個電池上具有正常工作電壓時，這個分流元件是開路的。可是一旦該電池發生故障，失去了其本來具有的輸出電壓，變成一個相當高的電阻，放電電流連續流過損壞的電池，致使在故障電池上產生一個反向電位差，隨著這一反向電位差的出現，該分流裝置變成短路狀態，從而在該損壞電池的附近提供了一個旁路。
這種分流裝置由兩個含有液態鹼金屬並用一種可傳導陽離子的電絕緣隔層隔開的兩個區域組成。第一區有兩個電流收集器，其中一個收集器始終與該區內含有的鹼金屬保持接觸，而另一個則只有當鹼金屬到達該區中的預定液面時，才與鹼金屬相接觸。第二區具有一個始終與該區中的鹼金屬相接觸的電流收集器。第二區裡的電流收集器與第一區中一般不與該區中的鹼金屬接觸的那個電流收集器直接相連接，在第一區中始終與該區鹼金屬接觸的那個電流收集器與要並聯的電池正極直接連接，而將其他兩個電流收集器連接到該電池的負極。因此，當這個電池工作時，在兩個區域裡的鹼金屬之間產生一個正電位，勢必將鹼金屬排進第二區。在由於這個電池故障導致極性相反的情況下，鹼金屬會從第二區被排進第一區，直到第一區裡的金屬液面達到使該金屬與第一區中第二個電流收集器相接觸時為止。這樣就在第一區裡通過鹼金屬產生一個短路通路，即對有故障的電池產生分路。
應該看到，對於上述已有技術的分流器件，一旦在第一區中的鹼金屬液面已經升高到能與該區中第二個電流收集器相接觸後，該器件則除了運載繞過故障電池分流的旁路電流外基本上不起作用了。這是由於在第二區裡的電流收集器和第一區裡的第二個電流收集器是直接連接在一起的，因此，一旦鹼金屬到達第一區中第二個電流收集器液面時，在這兩層中的鹼金屬之間就不會產生電位差。結果可看出，上述分流器件只有當從開路狀態不可逆地變為短路狀態時才起到分流器件的作用。
另一個參考文獻GB-A-1516638描述了一種鈉硫電池，該電池在陽極區具有一個附加的電流收集器，並且通過一個電阻與陰極區電流收集器相連接。這個陽極區裡的附加電流收集器只有當陽極區裡的鹼金屬到達相應於電池充電的最大水準的液面時，才與該區的鹼金屬接觸，從而造成一個旁路，使以後充電電流通過上述電阻流過。這種連接法可以確保串聯在一起的一個電池串中的所有電池能達到最大充電值。
按照本發明，一種鹼性金屬開關裝置包括第一和第二區，每區都含有鹼性金屬，在該裝置的工作溫度下該鹼性金屬呈液態;還包括一種傳導陽離子的電絕緣隔層將第一、第二區隔開，並且與兩個區裡的鹼金屬均相接觸;這個裝置按預定的方向運行，並且在上述第一區裡的液態鹼金屬液面取決於該區裡所裝有的鹼金屬量;還包括在上述第一區內的第一和第二電流收集器，二者只有在第一區裡的液態鹼金屬液面是位於或高出預定液面之上時，才都與該第一區裡的液態鹼金屬電接觸;還包括與第二區內液態鹼金屬有電接觸的第三電流收集器;還包括第一個連接端子，它與第一個電流收集器相連接;還包括與第三個電流收集器進行電連接的第二個連接端子以及接在第二個電流收集器和第二個連接端子之間的一個有預定電阻值的電阻。
在這樣一種開關裝置中，當在第一區裡的液態鹼金屬液面到達或高於預定液面值時，從第二個端子流向第一個端子的正電流首先流過上述有預定值的電阻和第二個及第一個電流收集器之間的地方，因此在第一第二區的鹼金屬之間產生一個電位差，並且勢必引起所含的鹼金屬從第二區排向第一區。
但是從另一方面來說，當第一區裡的鹼金屬液面是在預定水準之上時，如果正電流第一個端子流向第二個端子，通過電阻的電流則會在第一、二區裡的鹼金屬之間產生一個電壓，促使鹼金屬陽離子從第一區遷移到第二區。這就使第一區中的鹼金屬液面逐漸減少，直到減少到預定液面以下，使第一、第二電流收集器中至少有一個與鹼金屬脫離接觸，因此斷開了通過電阻元件的電流通路。如果只是第二個電流收集器與鹼金屬脫離接觸，而第一個電流收集器保持接觸，則由於通過隔層的陽離子傳導電流繼續流動，直到在第一區裡的鹼金屬被排盡或下降到低於能使鹼金屬保持與第一個電流收集器接觸的液面高度，這時在第一、第二端子之間不會再有電流流動。
相反，如果當液面下降到預定液面值以下，第一個電流收集器與鹼金屬脫離接觸時，則使從第一個到第二個連接端子的電流通路立即中斷。在這兩種情況下，當從第一個連接端子到第二個連接端子所匯集的正電流超過預定的總充電容量時，該開關裝置能有效地斷開這兩個連接端子之間的電路。
因此，在一個優選的申請中，提供的一種鹼性金屬電池的電池組裝置，它包括了並聯連接的若干電池或若干電池串聯成串再並聯連接，並且包括至少一個上面描述的鹼金屬開關裝置，該開關裝置在第一區裡有於正常工作時到達或高於上述預定液面值的呈液態的鹼金屬，並且被它的連接端子使其與一個電池或一串電池串聯連接，以使從該電池或電池串經由在第一區中的第一和第二電流收集器流經該開關裝置的放電電流可以在上述具有預定阻值的電阻兩端產生一個電壓，相對於第一個和第二個電流收集器來說，第三個電流收集器上所施加的是正偏壓。結果，當有放電電流流過鹼金屬裝置時，促使鹼金屬從第二個區排進第一個區，並保持第一區中的鹼金屬液面在預定液面以上。可是，當有充電電流流經該開關裝置到與之串聯連接的電池或電池串時，第三個電流收集器相對於第一個和第二個電流收集器變成負偏置，因此促使該鹼金屬的陽離子從第一區遷移到第二區，陽離子的遷移速度以及在第一區中的鹼金屬減少的速度取決於能產生電位差的電阻的阻值和流經該裝置的充電電流值。在使用中，該開關裝置設計成具有適當選擇的電阻值和保證使第一區裡的液面降到預定液面以下所必需從第一區向第二區遷移的鹼金屬量，這樣就使充電電流可以連續不斷地流過該開關裝置，以完成對與之串聯的電池或電池組的完全充電。但是，如果充電電流持續過久，或過大，以至總充電量超過了與之串聯的電池或電池組的正常容量，在第一區裡的鹼金屬就會減少到低於所述預定液面，從而立刻或很快使該開關裝置把電路斷開。
因此，當電池的損壞造成了經過該電池的持續的導電通路時，這種串聯連接的開關裝置可以有效地將損壞的電池或包含有損壞電池的電池串隔離開。較典型的電池故障的原因是由於分隔電池陽、陰極區的固態電介質器件的完整性受到損壞，這樣陰極的成分就可以遷移進陽極區，使電池開始放電，最後導致在該電池上產生一個連續不斷的導電通路，而在前面介紹的沒有這種開關裝置連接到電池組裡的情況下，這樣一個與許多其他電池並聯連接的故障電池，會引起其他電池經由該故障電池放電。另一方面，一旦有過量的充電電流流進了該故障電池，則與該故障電池串聯連接的該開關裝置可以隔離開故障電池，以使其餘的並聯連接的電池能夠繼續在電池組裡提供功率。
本發明也可以從另一個不同的角度來說明。一個鹼金屬電池組由若干並聯連接的電池或將多串串聯連接的電池並聯連接所組成。其中每個電池或電池串分別與一個開關裝置相連，每個所述開關裝置一般是正常閉合的，使充電和放電電流能夠通過該裝置流到有關的電池或電池串，並且使當超過了相關的電池或電池串的容量的預定的總電量沿電池充電方向通過該開關裝置時，該裝置能斷開該相關的電池或者電池組。上述開關裝置在一個電池組裡的布置方式是使得電池組裡基本上每個單個電池與鄰近的處於同一電位的各電池並聯連接，並且每一處均各自附有一個開關裝置。這些開關裝置的存在，可以避免故障電池附近的整套電池組通過這一個損壞了的電池放電。
每個所述的開關裝置包括產生一個對應於使充電電流流到所接的電池或電池組的偏壓的裝置;也包括一個鹼金屬容器，其中裝有的鹼金屬在工作溫度時呈液態;還包括一個可傳導鹼金屬的陽離子的電絕緣隔層，用來將該容器分隔為第一和第二區;還包括一個偏置裝置，將所述的偏壓加到隔層的兩側的液態鹼金屬上，以根據所施加電壓驅使鹼金屬的陽離子通過該隔層從一個區移到另一個區;以及包括一個正常時閉合的觸點裝置，允許充、放電電流流過，並當相當於預定總電量的預定液態鹼金屬通過隔層從一個區遷移到另一個區後，根據在第一區中的液態鹼金屬的液面，觸點裝置開斷，切斷所述的電流。
最好，所說的觸點裝置是由第一和第二個電流收集器組成，它通常與在第一區內位於或高於預定液面的液態鹼金屬相接觸，所述偏置裝置配置為按充電電流來驅使陽離子從第一區遷移到第二區。
所述產生偏壓的裝置是一個流過所述的充、放電電流的與第二個電流收集器串聯連接的電阻，這種偏壓裝置也可以包括一個與在第二區裡液態鹼金屬具有電接觸的第三個電流收集器，並且將其電氣上連接到上述電阻上不靠第二個電流收集器的那一端。
下面結合附圖介紹本發明的實例。
圖1是在一個電池組中並聯連接的鈉硫電池的示意圖，其中包括一個實施了本發明的鹼金屬開關裝置，該裝置與每一個電池串聯連接，圖中所示出的是該裝置的剖面圖;
圖2是與圖1相當的示意圖，以剖面圖形式表示一個開關裝置的不同實施方案。
如前所述，一個鈉硫電池組可以由各單個電池並聯連接成套，幾套這種電池組串聯連接成具有所希望的輸出電壓值的電池組。該電池組裡電池的並聯連接方式可以防止當損壞或完全放電或過度放電時單個電池造成開路的影響。但是，如果一個電池發生故障短路，或至少有一個通過該故障電池的持續的導電通路，這個電池組則變得極易損壞，而所有與故障電池並聯的其他電池將對故障電池放電。
根據本發明的一個實施方案，將各開關裝置與該電池組的每個電池串聯連接，該開關裝置正常時處於短路狀態，只有當傳送到相連電池的充電電流超過該電池的總容量時，與該電池串聯的開關裝置變成開路狀態，從而將該損壞電池與整個電池組脫離，防止並聯連接的電池放電。
參看圖1，圖中所示的電池組的一部分由並聯連接的鈉硫電池10和11組成。相應的開關裝置12、13分別與電池10、11串聯連接。
每個開關裝置12、13包括一段由β氧化鋁製成的端部開口的管14，該管的兩端分別被圓盤15、16封位，圓盤採用一種絕緣陶瓷材料，例如α氧化鋁，導電桿17、18穿過圓盤15、16中心的密封孔。如圖所示，杆17和18可以與β氧化鋁管14同軸，不過在管14中，兩桿之間具有一個間隙19，此間隙可以是敞開的，也可由一種絕緣物質填充。
圓盤15和16的直徑比管14的直徑大，因此限定了一個環形區20，該區由一個外層導管21所圍繞，導管的各端在圓盤15和16圓周的附近被密封住。
環形區20包含一種導電的多孔芯，例如碳氈，在β氧化鋁管的內層區22內一開始加入鈉金屬其液面達到高於導電桿17和18間的間隙，從而通過鈉金屬在杆17和18之間建立了一個電通路。
開關裝置12適應在鈉硫電池或電池組的正常工作溫度下使用，典型的溫度是350℃，此種溫度下鈉金屬是液態。
外部環形區20開始也裝有少量的浸滲入多孔填充材料裡的鈉。
重要的是，將內部區22和外部環形區20進行有效的密封，以容納這種液態鈉金屬，並能經得起在預期的鈉硫電池組運行過程中溫度的變化，β氧化鋁管14也可以通過上釉子辦法密封到α氧化鋁圓盤15和16上。密封導電桿17和18穿過圓盤15和16的孔處以及外層導電管21沿著圓盤15和16的圓周處時可以採用熱壓結合技術。
開關裝置12具有兩個端子23和24。端子23直接連接到導電桿17的最上部。端子24直接連接到外層導電管21。下部的導電桿18經由電阻25連接到端子24上。電阻25具有幾毫歐姆的阻值，在使用中也可以對其尺寸及材料結構進行適當的選擇。
在正常工作時，兩個杆17和18通過在內區22裡的液態鈉金屬電氣上連接到一起。下部端子24與鈉硫電池10的正極相連接，而上部端子23與附近的電池組中的開關裝置13的相應端子並聯連接，從電池10流過這個開關裝置的放電電流在電阻25上產生一個小電壓，使外層管21相對於導電桿18具有稍高的正電位。結果使在外部環形區20裡所有可利用的鈉的陽離子，經過可透過陽離子的β氧化鋁管14，遷移到內部區22裡，因此在電池10的放電過程中，內部區22裡鈉的液面增加，或維持在最大液面，這樣就在導電桿17和18之間通過鈉為放電電流提供了持續的導通。
可是，在鈉硫電池10的再充電過程中，充電電流沿相反的方向從端子23流向端子24，在電阻25上產生一個電位差，使內部區22裡的鈉相對於外層環形區20具有稍高的正電位。結果在電池10充電時，使鈉的陽離子經過β氧化鋁管14，從內部區22遷移到外部環形區20。因此在內部區22裡的鈉液面逐漸下降。如果液面下降到低於能與上部導電桿17接觸的液面時，在開關的端子23和24之間的導電通路則斷開，使得該電池10被有效地隔離開。
開關裝置12設計成具有合適的電阻25的阻值，並具有合適的、能確保在某充電電流時經由管14遷移的鈉金屬量，使區22中鈉的液面下降到杆17底部以下，以便在供給電池10的電量相當於該電池的預定容量的情況下，區22中的鈉液面保持在杆17的底端以上。因此如果電池10運行正常，則開關裝置12繼續在端子23和端子24之間提供一條導電通路，以保證電池10的連續的充、放電周期。
但是在電池10發生損壞的情況下，本來應在該電池上具有的正常的電位差消失了，這使與該電池並聯連接的其他電池勢必通過電池10放電。接入開關裝置12後，當供給電池10的連續充電電流經過相當時候超過正常的預期的電池容量時，導致在區22中的鈉液面下降到導電桿17的底端以下，這時開關裝置12使電路斷開，不會再有電流流進或從電池10流出，從而將電池10有效地與電路隔離開。
開關裝置12的尺寸可以根據在電池組裡所用的電池尺寸變動很大，對一個具有大約10安培小時容量的電池，在其開關裝置裡的β氧化鋁管14可以製成直徑1釐米，長度為1釐米。
對於此種開關裝置的設計，可以是各式各樣的。例如圖2所示方案，在裝有液態鈉金屬的內部區裡;兩個導電部件可以只穿過上部密封的圓盤放入。在圖2中，一根內部導電桿30與同軸的外部導電圓筒部件31共同密封在一個陶瓷絕緣圓盤32的孔中。在這同心的裝置中，β氧化鋁管可以製成具有封閉的管底34的管33的式樣，管子上部的開口靠α氧化鋁圓盤32密封。在圖中所示的實施例中，通過在β氧化鋁管34裡的液態鈉35的作用，得以在內導電桿30和外圓筒部件31之間建立直接的電連接，除非管34中的鈉液面下降到圓筒31底端以下。
如以前一樣，圓筒31通過電阻25連接到外層導電容器36上，該容器本身直接與端子24相連。圖2所示的開關裝置與圖1所示裝置工作方式相同。不過在圖2的結構中，在金屬導電件與陶瓷件之間的唯一密封是在外部圓筒31和圓盤之間，這一密封僅僅受到鈉蒸汽的影響，因為它是位於β電介質管34裡液態鈉的最高液面上部，因此使這一密封的可靠性得到進一步改善。
對這種開關裝置的要求是「工作可靠」。這一點可以通過合理配置在β氧化鋁管內和外的開關裝置兩個區裡鈉的總容積來得到保證。還要考慮到β氧化鋁管產生裂縫時，剩餘在管內的鈉的液面下降到能維持兩個導電器件接觸所需液面以下，也就是說，在開關裝置裡的β氧化鋁電介質損壞的情況下，該開關裝置變為開路狀態。
進一步還可以要求所使用的開關裝置數量要少於電池組裡鈉硫電池的數量。例如，開關裝置可以與兩個或更多的鈉硫電池串聯連接的電池串相串聯，或僅與在相應電池組中的並聯連接的完全保護的電池串進行串聯。這種配置減少了電池組的成本，但也使當某個電池損壞而受保護的電池串中所有其他電池能從電池組中脫開這可能的好處減少了。
權利要求
1.一種鹼性金屬開關裝置，包括第一和第二兩個區，每個區內裝有在該裝置的工作溫度下呈液態的鹼金屬；還包括一個可傳導陽離子的電絕緣隔層將所述第一和第二區分隔開，而與兩個區裡的鹼金屬相接觸，該裝置按預定的方向運行，且在所述第一區裡的液態鹼金屬的液面取決於其中所裝有的鹼金屬量；還包括在所述第一區裡的第一和第二電流收集器，二者只有當在所述第一區裡的液態鹼金屬液面達到或高於所述第一區裡的預定液面時才都與所述第一區裡的液態鹼金屬相電接觸；還包括一個與第二區裡的鹼金屬具有電接觸的第三電流收集器；還包括第一個連接端子，它與第一個電流收集器相連接；還包括第二個連接端子，它與第三個電流收集器相連接；以及包括接在第二個電流收集器和第二個連接端子間的一個具有預定阻值的電阻。
2.如權利要求
1所述的開關裝置，其中當液態鹼金屬低於所述預定的液面時，在所述的第一和第二電流收集器中的一個與所述的第一區裡的鹼金屬保持電接觸。
3.如權利要求
2所述的開關裝置，其中所述的電流收集器中的所述的一個，指的是所述的第二個電流收集器。
4.一個鹼金屬電池的電池組，包括由許多並聯連接的電池或串聯連接的電池串並聯組成，而且包括至少一個如任一個前述權利要求
所述的鹼金屬開關裝置，該裝置的所述的第一區裡的液態鹼金屬，在正常工作時液面位於或高於所述預定液面，並通過其連接端子與一個電池或一組電池串聯連接，使從該電池或電池組流出的、經由第一區裡的第一和第二電流收集器通過該裝置的放電電流在所述預定的電阻上產生一個電位差，使第三電流收集器相對於第一和第二電流收集器具有正偏壓。
5.如權利要求
4所述的電池組，其中的鹼金屬開關裝置的第一區內具有液態鹼金屬的最大限量值，它應超過相應於所規定液面的最小量，所述預定的電阻的阻值根據最大超過量和通過該裝置傳遞到所連電池或電池串的總電量來選擇，以允許在第一區裡的液態鹼金屬下落到所規定液面以下之前，所述的總電量可由開關裝置向電池傳送。
6.一個鹼金屬電池組，包括由許多並聯連接的電池或將串聯連接的電池串並聯而成，並且包括與每個電池或電池串串聯連接的各個開關裝置，每個所述開關裝置通常處於閉合狀態，使充、放電電流經由該裝置流到相連的電池或電池串，當預定的超過相連電池或電池串容量的總電量沿電池充電方向流經該開關裝置時，該裝置能將有關的電池或電池串與電路隔離開。
7.如權利要求
6所述的電池組，其中每個所述的開關裝置包括能建立相應於流過相連電池或電池串的充電電流的偏壓的裝置，一個容納在工作溫度下呈液態的鹼金屬容器，和一個電絕緣隔層，該隔層可以傳導鹼金屬陽離子並分隔容器為第一和第二區，該偏壓裝置將所述的偏壓加到隔層兩側的液態鹼金屬上，根據所加的電壓驅使鹼金屬中的陽離子穿過該隔層從一個區遷移到另一個區，以及包括一個通常閉合的觸點裝置讓所述的充、放電電流流過，在相當於所述預定的總電量的預定的液態鹼金屬量通過隔屬從一個區遷移到另一個區後，根據所述的第一區中液態鹼金屬的液面，此開關裝置斷開，切斷所說的電流。
8.如權利要求
7所述的電池組，其中所述的觸點裝置是由第一和第二電流收集器組成，這兩個電流收集器通常與在所述第一區裡的位於或高於預定液面的液態鹼金屬相電接觸，所述偏置裝置配置為按充電電流來驅使陽離子從所述第一區遷移到所述第二區內。
9.如權利要求
8所述的電池組，其中所述產生偏置電壓的裝置是一個流過所述充電和放電電流的與所述第二電流收集器串聯連接的電阻。
10.如權利要求
9所述的電池組，其中所述偏壓裝置包括一個與在第二區內的液態鹼金屬有電接觸的第三電流收集器，並且將其電氣上連接到上述電阻上不靠第二電流收集器的那一端。
專利摘要
本發明涉及一種鹼金屬開關裝置，它包括分成兩部分的導電桿，安裝在一個裝有鈉的β氧化鋁管中；鈉的液面決定導電桿兩部分間是否構成電通路。外層導管中的鈉也包圍著內層β氧化鋁管，利用一個電阻器在外管到導電桿的一部分間建立電連接。當電流沿著故障電池放電的方向流過該開關時，這種結構使得內管裡的鈉比外側的鈉電位高，因此，鈉陽離子能從內管中流出，使鈉液面降低，直到開關斷開，從而防止進一步通過該故障電池放電。
文檔編號H01H29/06GK87102177SQ87102177
公開日1987年11月18日 申請日期1987年2月10日
發明者格拉哈姆·羅賓森, 彼得·賓丁, 約翰·莫利尼克斯 申請人:克勞賴德塞蘭特電力公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan