專(zhuān)利名稱(chēng)：一種大容量鈉氯化鎳單體平板電池及其電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電池及其電池組，更具體地說(shuō)涉及ー種大容量鈉氯化鎳單體平板電池及其電池組。
背景技術(shù)：
鈉氯化鎳電池源于鈉硫電池，與鈉硫電池有諸多相似之處如固體電解質(zhì)均為^ ”_A1203，負(fù)極均為液態(tài)金屬鈉。不同之處在于正極，鈉氯化鎳電池以浸潤(rùn)在熔融NaAlCl4中的固態(tài)鎳/氯化鎳取代了鈉硫電池中的液態(tài)硫/多硫化鈉。鈉氯化鎳電池保留了鈉硫電池大容量、高轉(zhuǎn)換效率、無(wú)自放電等優(yōu)點(diǎn)，還具備基于其自身化學(xué)組成的內(nèi)在過(guò)充/過(guò)放保護(hù)功能。鈉氯化鎳電池整系統(tǒng)能量密度達(dá)120Wh/kg，功率密度達(dá)180W/kg，和鋰離子電池相 當(dāng)。其使用壽命長(zhǎng)，単體循環(huán)壽命大于3000次，電池組可達(dá)1800次。已有鈉氯化鎳電池在電動(dòng)汽車(chē)上免維護(hù)穩(wěn)定運(yùn)行7年，行駛距離達(dá)112，000公里。負(fù)極鈉是在電池循環(huán)過(guò)程中生成，鈉氯化鎳電池在放電狀態(tài)下組裝，操作方便。該電池可30分鐘快速充至50% SOC0和鈉硫電池相比，鈉氯化鎳電池避免了硫在高溫時(shí)對(duì)電池組件的腐蝕，提高了電池的循環(huán)壽命和安全性能。鈉氯化鎳電池是目前卩隹一通過(guò)歐洲汽車(chē)エ業(yè)協(xié)會(huì)(EuropeanAutomotiveIndustry)和美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合協(xié)會(huì)(USABC)所有安全測(cè)試的二次電池系統(tǒng)。鈉氯化鎳電池制備成本低于鎳鉻、鎳氫和鋰離子電池，并且整電池為免維護(hù)全密封結(jié)構(gòu)，具有維護(hù)成本低的特點(diǎn)。可鈉氯化鎳電池存在內(nèi)阻隨放電程度增加而增大的缺點(diǎn)。該電池的電阻來(lái)自以下三部分負(fù)極及電池金屬部件、氧化鋁陶瓷管、正扱。其中，前兩部分電阻為固定值；而正極部分內(nèi)阻會(huì)隨放電程度増加而急劇増大，原因在于1)正極腔內(nèi)反應(yīng)前沿會(huì)隨放電的進(jìn)行從陶瓷管內(nèi)壁向中心集流體移動(dòng)，從而導(dǎo)致正極部分內(nèi)阻隨著鈉離子遷移距離的增加而増大；2)正極表面氯化鎳層厚度也會(huì)隨放電的進(jìn)行而増加，導(dǎo)致正極部分內(nèi)阻隨著放電的進(jìn)行而加大。目前鈉氯化鎳電池通常采用圓柱形陶瓷管，為保證電池能達(dá)到實(shí)際使用時(shí)所需功率密度，通常采用小管徑(通常2(T30mm)來(lái)減少正極厚度，以及將陶瓷電解質(zhì)從圓管改成十字花形以增加陶瓷管和正極的接觸面積，降低単位面積界面電阻，并且十字花陶瓷管可以減小正極厚度，縮短鈉離子遷移路程。可是小管徑將加大陶瓷管制備難度，限制實(shí)際制備過(guò)程中的管長(zhǎng)(通常小于300mm)，導(dǎo)致目前鈉氯化鎳電池體積偏小，單電池容量多在32飛4Ah。如上所述，采用圓柱形或十字花形小管徑陶瓷管不僅使得陶瓷成型和燒結(jié)制備エ藝復(fù)雜，并導(dǎo)致單體電池容量偏低，限制了鈉氯化鎳電池的應(yīng)用領(lǐng)域。同時(shí)管狀陶瓷需要一定的壁厚來(lái)維持其機(jī)械強(qiáng)度，一般在I. 5 2mm，從而加大了氧化鋁陶瓷管的內(nèi)阻，使得電池運(yùn)行溫度偏高(27(T350°C )。因此，如何開(kāi)發(fā)大容量鈉氯化鎳單體電池，進(jìn)ー步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，是目前鈉氯化鎳電池行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題與不足，提供ー種大容量鈉氯化鎳單體平板電池，本發(fā)明還提供了一種大容量鈉氯化鎳平板電池組。本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種大容量鈉氯化鎳單體平板電池，其特征在于由兩個(gè)負(fù)極腔室、一個(gè)正極腔室以及正負(fù)極接線柱組成，正極腔室位于兩個(gè)負(fù)極腔室之間；其中，負(fù)極腔室從外到內(nèi)依次由負(fù)極封蓋I、金屬?gòu)椈善?、金屬氈或石墨氈3組成；正極腔室內(nèi)填充正極層5，集流體6位于正極層中心，并貫穿整個(gè)正極層，正極腔室四周由正極密封環(huán)7固定密封；正負(fù)極腔室之間通過(guò)固體電解質(zhì)4隔開(kāi)；連接在集流體上的正極電極棒伸出正極密封環(huán)7構(gòu)成正極接線柱，負(fù)極電極棒伸出負(fù)極封蓋1，構(gòu)成負(fù)極接線柱。本發(fā)明的大容量鈉氯化鎳單體平板電池，其電池容量為200AtT2000Ah，遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)圓柱形鈉氯化鎳電池(32飛4Ah)。電池正常工作溫度介于220和300°C，低于傳統(tǒng)圓柱形鈉氯化鎳電池操作溫度(27(T350°C )。 優(yōu)選電池的形狀為圓柱體、長(zhǎng)方體或正方體。優(yōu)選負(fù)極封蓋I為陶瓷材料或金屬材料，更優(yōu)選氧化鋁、氧化鋯、不銹鋼或鎳。優(yōu)選所述金屬?gòu)椈善?為純鎳、鍍鎳不銹鋼或鍍鎳銅；金屬氈或石墨氈3選用純鎳氈、鍍鎳不銹鋼氈、鍍鎳銅氈或石墨氈；金屬?gòu)椈善?及金屬氈或石墨氈3形狀均隨電池形狀變化，為圓形或方形，其中金屬?gòu)椈善?可達(dá)到金屬氈或石墨氈3與固體電解質(zhì)4緊密接觸的目的。優(yōu)選固體電解質(zhì)4為圓形、正方形或長(zhǎng)方形薄片；厚度在0. lmnT2mm,優(yōu)選
0.5 1_，面積為12463 81714mm2 ;材料是鋁酸鈉。優(yōu)選正極層5由NaAlCl4-NaCl-多孔鎳構(gòu)成。優(yōu)選正極密封環(huán)7為陶瓷材料，更優(yōu)選a-Al2O3或ZrO2，其形狀隨電池形狀變化。優(yōu)選所述的正負(fù)電極棒和集流體6均選用鎳或鍍鎳金屬(其中鍍鎳金屬的金屬優(yōu)選為銅、銀或不銹鋼)。其中所述的負(fù)極電極棒與負(fù)極封蓋I之間的密封由熱壓擴(kuò)散焊接或激光焊接工藝實(shí)現(xiàn)；正極電極棒與正極密封環(huán)7之間的密封由熱壓擴(kuò)散焊接工藝實(shí)現(xiàn)。所述的固體電解質(zhì)4與正極密封環(huán)7之間的密封通過(guò)玻璃封接工藝或陶瓷封接工藝實(shí)現(xiàn)。所述的正極密封環(huán)7與負(fù)極封蓋I之間的密封由熱壓擴(kuò)散焊接或玻璃/陶瓷封接工藝實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明還提供了一種大容量鈉氯化鎳平板電池組，由內(nèi)到外依次為權(quán)利要求I所述的單體電池11、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)12、電池組絕熱層10、電池組外殼8以及整電池控制系統(tǒng)9，其中單體電池的數(shù)量為2 100個(gè)。優(yōu)選所述的電池組形狀為圓柱形或長(zhǎng)方形；所述的電池組絕熱層為二氧化硅氣凝膠絕熱層、陶瓷氈絕熱層或玻璃纖維絕熱層；所述的電池組外殼為低碳鋼、純鎳或鍍鎳不銹鋼；所述的電池組內(nèi)部工作溫度在220°C -300°C之間，由溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。有益效果用片狀固體電解質(zhì)取代管狀電解質(zhì)，可在不增加正負(fù)極之間的傳輸距離，即不增加正極部分內(nèi)阻的情況下，通過(guò)增加平板電解質(zhì)面積來(lái)制備大容量鈉氯化鎳單體電池(20(T2000Ah)。同時(shí)，片狀固體電解質(zhì)可以做的更薄(小于1mm)，進(jìn)一步降低電解質(zhì)部分內(nèi)阻從而降低操作溫度(220-300°C)，有利于降低電池的運(yùn)行成本。整個(gè)電池在常溫條件下制作而成，操作簡(jiǎn)單，負(fù)極金屬鈉通過(guò)電池循環(huán)在負(fù)極腔室中原位生成。單體電池的平板結(jié)構(gòu)使得其在成組時(shí)具備組合方便的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的大容量鈉氯化鎳單體平板電池，除具有一般鈉氯化鎳電池耐過(guò)充/過(guò)放，使用壽命長(zhǎng)，安全性能好等優(yōu)點(diǎn)外，還具備以下特點(diǎn)單體電池容量大，為200Ah^2000Ah,遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)圓柱形鈉氯化鎳電池(32飛4Ah);操作溫度區(qū)間為22(T300°C，低于傳統(tǒng)圓柱形鈉氯化鎳電池操作溫度(27(T350°C );結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本較低等。本電池可作為油電混合車(chē)、 公交系統(tǒng)、船舶和潛艇的動(dòng)力能源，也可用作儲(chǔ)能電池，在城市電網(wǎng)、風(fēng)カ發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電中有著極為廣闊的應(yīng)用前景。


圖I為本發(fā)明中單體電池剖面結(jié)構(gòu)示意圖，其中，I-負(fù)極封蓋2-金屬?gòu)椈善?_金屬租或石墨租4-固體電解質(zhì)5-正極層6-集流體7-正極密封環(huán)；圖2為本發(fā)明中電池組結(jié)構(gòu)示意圖，其中，8-電池組外殼9-控制系統(tǒng)10-絕熱層11-單體電池12-溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)進(jìn)ー步說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明范圍不限于下面的實(shí)施例。實(shí)施例I本發(fā)明的大容量鈉氯化鎳單體電池(其結(jié)構(gòu)如圖I所示)，主要包括兩個(gè)負(fù)極腔室和一個(gè)正極腔室以及正負(fù)極接線柱，正極腔室位于兩個(gè)負(fù)極腔室之間。其中，負(fù)極腔室從外到內(nèi)依次由負(fù)極封蓋、金屬?gòu)椈善⒔饘贇只蚴珰纸M成；正極腔室填充N(xiāo)aAlCl4-NaCl-多孔鎳正極層，集流體位于正極層中心，并貫穿整個(gè)正極層，正極腔室四周由正極密封環(huán)固定密封。正負(fù)極腔室之間通過(guò)固體電解質(zhì)(直徑126mm,厚度0. Imm)隔開(kāi)。金屬?gòu)椈善?、石墨氈與固體電解質(zhì)之間緊密貼合，形成毛細(xì)管空隙，循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的熔融金屬鈉在毛細(xì)作用下浸潤(rùn)整個(gè)固體電解質(zhì)，正電極棒連接集流體，伸出正極密封環(huán)，負(fù)極電極連通負(fù)極腔室，伸出負(fù)極封蓋。電池的形狀為圓形，所述的負(fù)極封蓋為不銹鋼，金屬?gòu)椈善瑸殒?，集流體為鍍鎳銅，正負(fù)極電極棒為鎳，固體電解質(zhì)截面為圓形，材料是鋁酸鈉，片狀固體電解質(zhì)可降低加工難度，減小電阻和正極傳輸距離，提高電池的比能量和比功率。正極密封環(huán)為a -Al2O30正極電極棒與正極密封環(huán)之間的密封以及負(fù)極封蓋與正極密封環(huán)之間通過(guò)擴(kuò)散焊接密封，負(fù)極電極棒與負(fù)極封蓋之間通過(guò)激光焊接連接，固體電解質(zhì)與正極密封環(huán)之間通過(guò)玻璃封接完成。250°C下，電池20A放電能持續(xù)IOh,容量為200Ah。該單體電池循環(huán)1000次后容量為180Ah，容量保持率90%。單體電池儲(chǔ)能量為0. 516kWh。實(shí)施例2本發(fā)明的大容量鈉氯化鎳單體電池，主要包括兩個(gè)負(fù)極腔室和一個(gè)正極腔室以及正負(fù)極接線柱，正極腔室位于兩個(gè)負(fù)極腔室之間。其中，負(fù)極腔室從外到內(nèi)依次由負(fù)極封蓋、金屬?gòu)椈善?、金屬鎳氈組成；正極腔室填充N(xiāo)aAlCl4-NaCl-多孔鎳正極層，集流體位于正極層中心，并貫穿整個(gè)正極層，正極腔室四周由正極密封環(huán)固定密封。正負(fù)極腔室之間通過(guò)固體電解質(zhì)(邊長(zhǎng)286mm,厚度2mm)隔開(kāi)。金屬?gòu)椈善?、金屬鎳租與固體電解質(zhì)之間緊密貼合，形成毛細(xì)管空隙，循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的熔融金屬鈉在毛細(xì)作用下浸潤(rùn)整個(gè)固體電解質(zhì)，正電極棒連接集流體，伸出正極密封環(huán)，負(fù)極電極連通負(fù)極腔室，伸出負(fù)極封蓋。電池的形狀為圓形，所述的負(fù)極封蓋為氧化鋁，金屬?gòu)椈善瑸殄冩囥~，集流體為鎳，正負(fù)極電極棒為鍍鎳不銹鋼，固體電解質(zhì)截面為圓形，材料是鋁酸鈉。正極密封環(huán)為ZrO2。220°C下，電池200A放電持續(xù)IOh,容量為2000Ah。該單體電池循環(huán)1000次后容量為1800Ah，容量保持率90%。單體電池儲(chǔ)能量為5. 42kWh。實(shí)施例3
如圖2所示，一種大容量鈉氯化鎳電池組，內(nèi)部由16個(gè)實(shí)施例I的單體電池以4并4串的連接模式組成，即整個(gè)電池組由4串小電池組并聯(lián)組成，其中每串小電池組由4只單體電池串聯(lián)而成，電池外部依次配有溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電池組絕熱層、電池組外殼，最外面是整電池控制系統(tǒng)。該電池在260° C運(yùn)行時(shí)，開(kāi)路電壓為10. 3V，容量為800Ah，儲(chǔ)能量為8kWh。實(shí)施例4如圖2所示,本發(fā)明中的大容量鈉氯化鎳電池組，由內(nèi)到外依次為實(shí)施例I所述的單體電池，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電池組絕熱層、電池組外殼以及整電池控制系統(tǒng)，其中單體電池?cái)?shù)量為100個(gè)，連接方式為串聯(lián)。所述的電池組形狀為圓柱形；所述的電池組絕熱層為二氧化硅氣凝膠絕熱層；所述的電池組外殼為低碳鋼；所述的電池組內(nèi)部工作溫度在2200C _300°C之間，由溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。該電池組在300°C運(yùn)行時(shí)，開(kāi)路電壓為258V，容量為200Ah，儲(chǔ)能量為51. 6kWh。實(shí)施例5如圖2所示,本發(fā)明中的大容量鈉氯化鎳電池組，由內(nèi)到外依次為實(shí)施例2所述的單體電池，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電池組絕熱層、電池組外殼以及整電池控制系統(tǒng)，其中單體電池?cái)?shù)量為10個(gè)，連接方式為串聯(lián)。所述的電池組形狀為圓柱形；所述的電池組絕熱層為陶瓷氈絕熱層；所述的電池組外殼為鎳；所述的電池組內(nèi)部工作溫度在220°C -300°C之間，由溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)。該電池組在220°C運(yùn)行時(shí)，開(kāi)路電壓為26V，容量為2000Ah，儲(chǔ)能量為54.18kWh。
權(quán)利要求
1.一種大容量鈉氯化鎳單體平板電池，其特征在于由兩個(gè)負(fù)極腔室、一個(gè)正極腔室以及正負(fù)極接線柱組成，正極腔室位于兩個(gè)負(fù)極腔室之間；其中，負(fù)極腔室從外到內(nèi)依次由負(fù)極封蓋(I)、金屬?gòu)椈善?2)、金屬氈或石墨氈(3)組成；正極腔室內(nèi)填充正極層(5)，集流體(6)位于正極層中心，并貫穿整個(gè)正極層，正極腔室四周由正極密封環(huán)(7)固定密封；正負(fù)極腔室之間通過(guò)固體電解質(zhì)(4)隔開(kāi)；連接在集流體上的正極電極棒伸出正極密封環(huán)(7)構(gòu)成正極接線柱，負(fù)極電極棒伸出負(fù)極封蓋(I )，構(gòu)成負(fù)極接線柱。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大容量鈉氯化鎳單體電池，其特征在于電池容量為200Ah 2000Ah ;電池正常工作溫度介于22(T300°C。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大容量鈉氯化鎳單體電池，其特征在于電池的形狀為圓柱體、長(zhǎng)方體或正方體。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大容量鈉氯化鎳單體電池，其特征在于所述的負(fù)極封蓋(I)為陶瓷材料或金屬材料；所述的金屬?gòu)椈善?2)選用純鎳、鍍鎳不銹鋼或鍍鎳銅，金屬氈或石墨氈(3)選用純鎳氈、鍍鎳不銹鋼氈、鍍鎳銅氈或石墨氈，金屬?gòu)椈善?2)及金屬氈或石墨氈(3)形狀均隨電池形狀變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大容量鈉氯化鎳單體電池，其特征在于所述的固體電解質(zhì)(4)為圓形、正方形或長(zhǎng)方形薄片，厚度在0. lmnT2mm,優(yōu)選0.面積為12463 81714mm2 ;材料是鋁酸鈉。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的大容量鈉氯化鎳單體電池，其特征在于所述的正極層(5)由NaAlCl4-NaCl-多孔鎳構(gòu)成；所述的正極密封環(huán)(7)為陶瓷材料，其形狀隨電池形狀變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高能量密度鈉氯化鎳單體電池，其特征在于所述的正負(fù)電極棒和集流體(6)均選用鎳或鍍鎳金屬。
8.一種大容量鈉氯化鎳平板電池組，其特征在于由內(nèi)到外依次為權(quán)利要求I所述的單體電池(11)、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)(12)、電池組絕熱層(10)、電池組外殼(8)以及整電池控制系統(tǒng)(9)，其中單體電池的數(shù)量為2 100個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的大容量鈉氯化鎳電池組，其特征在于所述的電池組形狀為圓柱形或長(zhǎng)方形；所述的電池組絕熱層為二氧化硅氣凝膠絕熱層、陶瓷氈絕熱層或玻璃纖維絕熱層；所述的電池組外殼為低碳鋼、純鎳或鍍鎳不銹鋼；所述的電池組內(nèi)部工作溫度在2200C -300°C之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及大容量鈉氯化鎳單體平板電池及其電池組；但電池由兩個(gè)負(fù)極腔室、一個(gè)正極腔室以及正負(fù)極接線柱組成，正極腔室位于兩個(gè)負(fù)極腔室之間；負(fù)極腔室從外到內(nèi)依次為負(fù)極封蓋、金屬?gòu)椈善?、金屬氈或石墨氈；正極腔室內(nèi)填充正極層，集流體位于正極層中心貫穿整個(gè)正極層，正極腔室四周由正極密封環(huán)固定密封；正負(fù)極腔室之間通過(guò)固體電解質(zhì)隔開(kāi)；連接在集流體上的正極電極棒伸出正極密封環(huán)構(gòu)成正極接線柱，負(fù)極電極棒伸出負(fù)極封蓋，構(gòu)成負(fù)極接線柱。電池組由內(nèi)到外依次為單體電池、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電池組絕熱層、電池組外殼以及整電池控制系統(tǒng)，其中單體電池的數(shù)量為2～100個(gè)。本發(fā)明的單體電池容量大，操作溫度低；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本較低。
文檔編號(hào)H01M10/39GK102780049SQ20121028547
公開(kāi)日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月10日
發(fā)明者單世界, 楊力萍, 楊暉, 沈曉冬, 魏曉玲 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)