專利名稱：一種封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種化學(xué)電源技術(shù)，尤其涉及一種采用以封閉式結(jié)構(gòu)作為安全理念的鈉硫電池。
背景技術(shù)：
鈉硫電池是以β (β " )-Α1203陶瓷為電解質(zhì)和隔膜，硫及金屬鈉為正負(fù)極，室溫下呈全固態(tài)的二次電池。正常工作溫度在300 350°C之間，鈉和硫處于熔融狀態(tài)，其理論比能量高達(dá)760Wh/kg，且無自放電現(xiàn)象，庫倫效率幾乎可達(dá)100%。在80年代末和90年代初開始，國外重點(diǎn)發(fā)展鈉硫電池作為固定場合下(如電站儲能)應(yīng)用，并越來越顯示其優(yōu)越性，如日本東京電力公司(TEPCO)和NGK公司合作開發(fā)鈉硫電池作為儲能電池，其應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)電站負(fù)荷調(diào)平(即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電存儲在電池里，到白天用電高峰時(shí)再從電池中釋放出來)、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等，并于2002年開始進(jìn)入商品化實(shí)施階段，已建成世界上最大規(guī)模(34MW)的儲能鈉硫電池裝置，截止2005年10月統(tǒng)計(jì)，年產(chǎn)鈉硫電池電池量已超過100MW，同時(shí)開始向海外輸出。目前大容量鈉硫電池裝配制備過程中，鈉大多直接儲存在電解質(zhì)管內(nèi)，或采用無安全閘口設(shè)計(jì)的內(nèi)芯內(nèi)，陶瓷管內(nèi)側(cè)活性物質(zhì)鈉存量較多，萬一陶瓷管破裂，正負(fù)極快速反應(yīng)，放出大量能量，導(dǎo)致電池泄漏甚至爆炸等安全事故的發(fā)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述問題，提供了一種封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，結(jié)構(gòu)簡單、 易于裝配、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，提高了電池的安全性、可靠性，而且提高了電池充放電電流密度及電池使用壽命，極具實(shí)用價(jià)值。本發(fā)明的技術(shù)方案為本發(fā)明揭示了一種封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池,包括電池殼體、 正極層、電解質(zhì)管、過渡層、安全閘口、安全內(nèi)芯、負(fù)極區(qū)，其中電解質(zhì)管位于正極層和負(fù)極區(qū)之間，安全閘口位于安全內(nèi)芯的兩側(cè)，過渡層穿過安全閘口并置于安全內(nèi)芯外壁，以覆蓋安全閘口以下的安全內(nèi)芯的外側(cè)。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，電解質(zhì)管用以隔離正負(fù)極反應(yīng)物。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，電解質(zhì)管是β (β " )-Al2O3固體電解質(zhì)管。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，電池殼體是金屬材質(zhì)，包括不銹鋼材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，正極層以硫?yàn)橹黧w，以碳?xì)只蛘呤珰譃檩o助。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，過渡層的間隙是O. I 2mm。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，安全閘口距離安全內(nèi)芯底部為O O. 8L處，其中L是電池殼體的高度。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，安全內(nèi)芯是金屬材質(zhì)，包括不銹鋼材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)，其高度和電池殼體的高度相同。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，負(fù)極區(qū)內(nèi)包含活性物質(zhì),活性物質(zhì)是金屬鈉。根據(jù)本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的一實(shí)施例，電池殼體的高度為10 700mmo本發(fā)明對比現(xiàn)有技術(shù)有如下的有益效果本發(fā)明的鈉硫電池包括電池殼體、正極、 電解質(zhì)管，以及包含過渡層、安全閘口、安全內(nèi)芯、鈉極區(qū)的鈉芯安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。陶瓷管內(nèi)側(cè)活性物質(zhì)鈉通過限流作用至安全閘口，然后至芯管內(nèi)，以減少陶瓷管內(nèi)壁與安全內(nèi)芯外壁之間的存鈉量，從而抑制因陶瓷管破裂引起的液態(tài)鈉硫之間的劇烈反應(yīng)。本發(fā)明的電池殼體與安全內(nèi)芯的材質(zhì)為不銹鋼、鋁合金或其他金屬材質(zhì)，安全閘口位于安全內(nèi)芯兩側(cè)，距離安全內(nèi)芯底部OL O. 8L(L是電池殼體的高度)。正極采用碳?xì)只蛘呤珰痔岣邔?dǎo)電性。 電解質(zhì)管是β (β " )-Al2O3固態(tài)離子導(dǎo)電材料，只導(dǎo)通鈉離子。本發(fā)明采用的鈉芯安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于提高電池的安全性及可靠性，并且結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，不僅提高了電池的安全性、可靠性，而且提高了電池充放電電流密度及電池使用壽命，極具實(shí)用價(jià)值。


圖I示例性的示出了本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2示出了本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的內(nèi)部短路電池溫度變化情況的示意圖。圖3示出了本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池在不同充放電電流密度下放電深度與放電電壓變化情況的示意圖。圖4示出了本發(fā)明的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池的循環(huán)壽命測試情況的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。圖I的結(jié)構(gòu)示意圖是鈉硫單體電池殼體中間區(qū)域的軸向剖視圖。其電池體頭部及底部未加以標(biāo)不。本實(shí)施例的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池包括電池殼體I、正極層2、電解質(zhì)管 3，過渡層4、安全閘口 5、安全內(nèi)芯6、負(fù)極區(qū)7。整個(gè)電池密封設(shè)計(jì)。所述電解質(zhì)管3位于正極層2與負(fù)極區(qū)7之間，隔離正負(fù)極反應(yīng)物。電解質(zhì)管3較佳的是β (β " )-Α1203固體電解質(zhì)管。鈉芯安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先將過渡層4穿過安全閘口 5，覆蓋安全閘口 5以下的安全內(nèi)芯6外側(cè)。安全閘口 5距離安全內(nèi)芯6的底部為OL O. 8L處，其中L表示電池殼體I的高度，一般可設(shè)置為10 700mm。過渡層4控制在O. I-2mm的厚度,置于安全內(nèi)芯6外壁。 將制備完畢的鈉芯安全結(jié)構(gòu)置于電解質(zhì)管3內(nèi)壁。然后在保護(hù)氣氛中完成負(fù)極制備，真空氣氛中完成正極制備。至此電池裝配完成。過渡層4、安全閘口 5、安全內(nèi)芯6、負(fù)極區(qū)7 (也可稱為鈉極區(qū))組成鈉芯安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鈉芯安全結(jié)構(gòu)是將陶瓷管內(nèi)側(cè)活性物質(zhì)鈉通過限流過渡層4至安全閘口 5，然后至芯管內(nèi)，以增加電極在電解質(zhì)表面反應(yīng)面積、減少陶瓷管內(nèi)存鈉量，抑制因陶瓷管破裂引起的液態(tài)鈉硫之間的劇烈反應(yīng)，提高電池的安全性及可靠性。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，提高了電池的安全性、可靠性，而且提高了電池充放電電流密度及電池使用壽命，極具實(shí)用價(jià)值。電池殼體I是金屬材質(zhì)，例如是不銹鋼材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)或其他金屬材質(zhì)。安全內(nèi)芯6的材質(zhì)是金屬材質(zhì)，例如是不銹鋼材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)或其他金屬材質(zhì)，其高度也和電池殼體I的高度L相等。正極層2是以硫?yàn)橹黧w，為了提高導(dǎo)電性，一般采用具有良好導(dǎo)電性的碳?xì)只蛘呤珰肿鳛檩o助。負(fù)極區(qū)7內(nèi)包含例如是金屬鈉的活性物質(zhì)。為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)電池的安全、可靠性及電池可耐大電流放電及電池使用壽命情況，特別做了三項(xiàng)試驗(yàn)。圖2為電池內(nèi)部短路電池溫度變化情況；圖3為電池在不同充放電電流密度下放電深度與放電電壓變化情況；圖4為電池循環(huán)壽命測試情況。由圖2可知，本實(shí)施例的鈉硫電池進(jìn)行內(nèi)部短路時(shí)，電池溫度變化只有100 200°C，不會引起電池著火、爆炸、泄漏，保證了鈉硫電池的安全可靠性。如圖3所示，本實(shí)施例的鈉硫電池可以以電流密度在60 260mA/cm2的電流放電。 可以承受大電流放電沖擊。如圖4所示，本實(shí)施例的鈉硫電池的循環(huán)壽命測試情況，可以看出經(jīng)過500次循環(huán)后，鈉硫電池衰減只有I. 5%，代表本電池穩(wěn)定可靠，極具實(shí)用價(jià)值。綜合以上所述，本電池結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，提高了電池的安全性、可靠性，而且提高了電池充放電電流密度及電池使用壽命，極具實(shí)用價(jià)值。上述實(shí)施例是提供給本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來實(shí)現(xiàn)和使用本發(fā)明的，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可在不脫離本發(fā)明的發(fā)明思想的情況下，對上述實(shí)施例做出種種修改或變化，因而本發(fā)明的發(fā)明范圍并不被上述實(shí)施例所限，而應(yīng)該是符合權(quán)利要求書所提到的創(chuàng)新性特征的最大范圍。
權(quán)利要求
1.一種封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，包括電池殼體(I)、正極層(2)、電解質(zhì)管(3)、過渡層(4)、安全閘口(5)、安全內(nèi)芯(6)、負(fù)極區(qū)(7)，其中電解質(zhì)管(3)位于正極層(2)和負(fù)極區(qū)(7)之間，安全閘口(5)位于安全內(nèi)芯(6)的兩側(cè)，過渡層⑷穿過安全閘口(5)并置于安全內(nèi)芯(6)外壁，以覆蓋安全閘口(5)以下的安全內(nèi)芯(6)的外側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，電解質(zhì)管(3)用以隔離正負(fù)極反應(yīng)物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，電解質(zhì)管(3)是 β(β" )-Al2O3固體電解質(zhì)管。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，電池殼體(I)是金屬材質(zhì),包括不銹鋼材質(zhì)、鋁合金材質(zhì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，正極層(2)以硫?yàn)橹黧w，以碳租或者石墨租為輔助。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，過渡層(4)的間隙是 O. I 2mmο
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，安全閘口(5)距離安全內(nèi)芯(6)底部為O O. 8L處，其中L是電池殼體⑴的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，安全內(nèi)芯(6)是金屬材質(zhì),包括不銹鋼材質(zhì)、鋁合金材質(zhì),其高度和電池殼體(I)的高度相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，其特征在于，負(fù)極區(qū)(7)內(nèi)包含活性物質(zhì)，活性物質(zhì)是金屬鈉。
10.根據(jù)權(quán)利要求I 9中任一項(xiàng)所述的封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池,其特征在于，電池殼體⑴的高度為10 700mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種封閉式結(jié)構(gòu)的鈉硫電池，結(jié)構(gòu)簡單、易于裝配、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，提高了電池的安全性、可靠性，而且提高了電池充放電電流密度及電池使用壽命，極具實(shí)用價(jià)值。其技術(shù)方案為鈉硫電池包括電池殼體、正極層、電解質(zhì)管、過渡層、安全閘口、安全內(nèi)芯、負(fù)極區(qū)，其中電解質(zhì)管位于正極層和負(fù)極區(qū)之間，安全閘口位于安全內(nèi)芯的兩側(cè)，過渡層穿過安全閘口并置于安全內(nèi)芯外壁，以覆蓋安全閘口以下的安全內(nèi)芯的外側(cè)。
文檔編號H01M10/39GK102610867SQ201110022999
公開日2012年7月25日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月20日
發(fā)明者俞國勤, 曹佳弟, 楊建華, 溫兆銀, 韓金鐸 申請人:上海市電力公司, 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所