一種鈉硫電池負(fù)極的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了化學(xué)儲能領(lǐng)域的一種鈉硫電池負(fù)極，包括電解質(zhì)陶瓷管；所述電解質(zhì)陶瓷管徑向內(nèi)側(cè)形成負(fù)極室，所述電解質(zhì)陶瓷管的頂面上設(shè)有徑向向外突出的陶瓷絕緣環(huán)，所述負(fù)極室內(nèi)設(shè)有儲鈉管以及套接在所述儲鈉管外側(cè)的安全管，所述儲鈉管的頂部通過負(fù)極密封蓋封閉，所述陶瓷絕緣環(huán)與所述負(fù)極密封蓋之間設(shè)有負(fù)極密封環(huán)，將所述負(fù)極室封閉；所述安全管外壁的底部與所述電解質(zhì)陶瓷管內(nèi)壁的底部之間設(shè)有絕緣且對液態(tài)鈉不浸潤的緩沖層，所述電解質(zhì)陶瓷管外壁的底部設(shè)有絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護(hù)層。其技術(shù)效果是：在保護(hù)電解質(zhì)陶瓷管底部不參與反應(yīng)的同時(shí)，降低對電解質(zhì)陶瓷管垂直度和底部圓度的要求。
【專利說明】—種鈉硫電池負(fù)極
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及化學(xué)儲能領(lǐng)域的一種鈉硫電池負(fù)極。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖1所示，鈉硫電池負(fù)極包括電解質(zhì)陶瓷管4，電解質(zhì)陶瓷管4內(nèi)形成負(fù)極室400。負(fù)極室400內(nèi)設(shè)有安全管8和儲鈉管9，安全管8套接在儲鈉管9的外側(cè)。儲鈉管9的底部設(shè)有貫通孔91，儲鈉管9的頂部和負(fù)極室400通過負(fù)極密封蓋11封閉。電解質(zhì)陶瓷管4的頂面上設(shè)有徑向向外突出的陶瓷絕緣環(huán)3。
[0003]鈉硫電池的核心部件是電解質(zhì)陶瓷管4，電解質(zhì)陶瓷管4由β ”_Α1203制成，其傳導(dǎo)鈉離子，兼做隔膜。鈉硫電池循環(huán)壽命在很大程度上取決于電解質(zhì)陶瓷管4的質(zhì)量性能。一旦電解質(zhì)陶瓷管4有微裂紋或者破裂，鈉和硫直接接觸發(fā)生劇烈反應(yīng)，溫度最高可達(dá)20000C，瞬間熔化鈉硫電池內(nèi)的所有組件，造成活性物質(zhì)泄漏?，F(xiàn)有鈉硫電池負(fù)極采用在電解質(zhì)陶瓷管4與儲鈉管9之間套接與電解質(zhì)陶瓷管4膨脹系數(shù)相差較大的安全管8，安全管8通常由鋁或鋁合金制成，安全管8與電解質(zhì)陶瓷管4內(nèi)壁之間的徑向間隙401，徑向間隙401的寬度控制在100微米，當(dāng)電解質(zhì)陶瓷管4破損后，安全管8軸向膨脹緊貼電解質(zhì)陶瓷管4的內(nèi)壁，并且給予電解質(zhì)陶瓷管4的底部的內(nèi)壁以壓力，該壓力大于電解質(zhì)陶瓷管4底部外壁所受到的壓力，同時(shí)，安全管8也徑向膨脹，安全管8與電解質(zhì)陶瓷管4之間的徑向間隙401閉合，鈉和硫無法接觸。這樣設(shè)計(jì)的鈉硫電池負(fù)極對于電解質(zhì)陶瓷管4的垂直度，以及電解質(zhì)陶瓷管4底部的圓度要求較高，因此加工電解質(zhì)陶瓷管4費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)電解質(zhì)陶瓷管4在使用過程中極易損壞。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種鈉硫電池負(fù)極，其能夠在保護(hù)電解質(zhì)陶瓷管底部不參與反應(yīng)的同時(shí)，降低對電解質(zhì)陶瓷管垂直度和底部圓度的要求，延長電解質(zhì)陶瓷管的使用壽命，保證鈉硫電池的安全運(yùn)行。
[0005]實(shí)現(xiàn)上述目的的一種技術(shù)方案是:一種鈉硫電池負(fù)極，包括電解質(zhì)陶瓷管；所述電解質(zhì)陶瓷管徑向內(nèi)側(cè)形成負(fù)極室，所述電解質(zhì)陶瓷管的頂面上設(shè)有徑向向外突出的陶瓷絕緣環(huán)，所述負(fù)極室內(nèi)設(shè)有儲鈉管以及套接在所述儲鈉管外側(cè)的安全管，所述儲鈉管的頂部通過負(fù)極密封蓋封閉，所述陶瓷絕緣環(huán)與所述負(fù)極密封蓋之間設(shè)有負(fù)極密封環(huán)7，將所述負(fù)極室封閉；
[0006]所述安全管外壁的底部與所述電解質(zhì)陶瓷管內(nèi)壁的底部之間設(shè)有絕緣且對液態(tài)鈉不浸潤的緩沖層5，所述電解質(zhì)陶瓷管外壁的底部設(shè)有絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護(hù)層。
[0007]進(jìn)一步的，所述緩沖層是采用氧化鋯、氮化硅、氧化鋁粉或碳粉中的任意一種，所述底部保護(hù)層采用硅酸鋁纖維。
[0008]進(jìn)一步的，所述安全管與所述電解質(zhì)陶瓷管之間的徑向間隙中設(shè)有間隙填充層，所述間隙填充層由金屬纖維編成，且所述間隙填充層的孔隙率為30?50%。
[0009]進(jìn)一步的，所述儲鈉管的底部設(shè)有貫通孔和過濾層，所述過濾層是由或者不銹鋼的纖維編織成的。
[0010]再進(jìn)一步的，所述儲鈉管和所述安全管的底部均為矩形底。
[0011]進(jìn)一步的，所述安全管的頂面高于所述電解質(zhì)陶瓷管的頂面。
[0012]進(jìn)一步的，所述儲鈉管內(nèi)均填充有保護(hù)氣體。
[0013]再進(jìn)一步的，所述儲鈉管內(nèi)的保護(hù)氣體均為氮?dú)饣驓鍤狻?br> [0014]采用了本實(shí)用新型的一種鈉硫電池負(fù)極的技術(shù)方案，即在鈉硫電池負(fù)極中，在安全管外壁的底部與電解質(zhì)陶瓷管內(nèi)壁的底部之間設(shè)置絕緣且對液態(tài)鈉不浸潤的緩沖層，在電解質(zhì)陶瓷管外壁的底部設(shè)置絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護(hù)層的技術(shù)方案。其技術(shù)效果是:在保護(hù)電解質(zhì)陶瓷管底部不參與反應(yīng)的同時(shí)，降低對電解質(zhì)陶瓷管垂直度和底部圓度的要求，延長電解質(zhì)陶瓷管的使用壽命，保證鈉硫電池的安全運(yùn)行。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為現(xiàn)有技術(shù)鈉硫電池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本實(shí)用新型的一種鈉硫電池負(fù)極的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]請參閱圖2和圖3，本實(shí)用新型的發(fā)明人為了能更好地對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行理解，下面通過具體地實(shí)施例，并結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)地說明:
[0018]請參閱圖2和圖3，本實(shí)用新型的一種鈉硫電池負(fù)極，包括電解質(zhì)陶瓷管4，電解質(zhì)陶瓷管4內(nèi)形成負(fù)極室400。
[0019]負(fù)極室400內(nèi)設(shè)有安全管8和儲鈉管9。儲鈉管9的頂部與負(fù)極密封蓋11焊接，從而將儲鈉管9封閉。全管8套接在儲鈉管9的外側(cè)。
[0020]電解質(zhì)陶瓷管4的頂面上固定有徑向向外突出的陶瓷絕緣環(huán)3，負(fù)極密封蓋11和陶瓷絕緣環(huán)3的頂面之間設(shè)有負(fù)極密封環(huán)7，將負(fù)極室400封閉。
[0021]儲鈉管9作用是儲存液態(tài)鈉，儲鈉管9可采用焊接性能和剛性都良好的奧氏體不銹鋼，負(fù)極密封蓋11也采用奧氏體不銹鋼，使儲鈉管9的頂部能夠與負(fù)極密封蓋11焊接。儲鈉管9的底部采用矩形底。儲鈉管9的底部設(shè)有貫通孔91。貫通孔91的直徑0.3-lmm,用以限制液態(tài)鈉從儲鈉管9流向安全管8的流速。為了保證儲鈉管9的強(qiáng)度以及鈉硫電池的安全運(yùn)行，儲鈉管9的壁厚0.8-1.5_。
[0022]安全管8套接在儲鈉管9的外側(cè)，安全管8采用純鋁或者變形鋁合金，采用冷拉法獲得，壁厚0.5-lmm,以保證其強(qiáng)度。其作用在于將儲鈉管9中的液態(tài)鈉和正極室中液態(tài)的硫分離。安全管8的內(nèi)徑大于儲鈉管9的外徑0.6?1.2mm,以控制安全管8內(nèi)液態(tài)鈉的量，從而保證鈉硫電池的安全運(yùn)行。同時(shí)，安全管8與電解質(zhì)陶瓷管4徑向之間設(shè)有徑向間隙401。徑向間隙的寬度為100?120微米。另外一方面，安全管8的頂面高于電解質(zhì)陶瓷管4的頂面，優(yōu)選的方式為高于陶瓷絕緣環(huán)3的頂面，以杜絕在陶瓷絕緣管4破裂時(shí)，液態(tài)鈉從電解質(zhì)陶瓷管4的頂部滲入正極室，與正極室內(nèi)的硫發(fā)生反應(yīng)。
[0023]由于安全管8的底部為矩形底，而電解質(zhì)陶瓷管4的底部的是半球形的，因此，安全管8的底部與陶瓷電解管4底部的內(nèi)壁之間要設(shè)置緩沖層5。緩沖層5的可采用氧化鋯、氮化硅、氧化鋁粉、碳粉等物質(zhì)，這些物質(zhì)不能與液態(tài)鈉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對液態(tài)鈉不浸潤，且絕緣性能良好。緩沖層5的作用在于保護(hù)電解質(zhì)陶瓷管4底部，減少安全管8對于電解質(zhì)陶瓷管4底部的壓力，同時(shí)減少負(fù)極室400內(nèi)的參與反應(yīng)的鈉的質(zhì)量，防止電解質(zhì)陶瓷管4底部參與反應(yīng)，確保電解質(zhì)陶瓷管4底部的安全性。并降低了對于電解質(zhì)陶瓷管4垂直度以及底部圓度的要求。
[0024]同時(shí)，儲鈉管9的底部還設(shè)有過濾層92，過濾層92主要是由金屬纖維編織而成，特別是柔軟的304或者316L不銹鋼纖維編織而成的，金屬纖維直徑8-20微米。過濾層92作用是過濾液態(tài)鈉中的高熔點(diǎn)雜質(zhì)微粒，比如碳酸鈉微粒，以及未熔融金屬鈉微粒等，防止貫通孔91被堵塞，以及防止這些顆粒進(jìn)入安全管8與電解質(zhì)陶瓷管4之間的徑向間隙401，進(jìn)而造成該徑向間隙401被堵塞，保證液態(tài)鈉的順暢流入安全管8與電解質(zhì)陶瓷管之間的徑向間隙401，從而防止鈉硫電池因?yàn)殡娊赓|(zhì)陶瓷管4因?yàn)榈貌坏匠浞值囊簯B(tài)鈉的供應(yīng)而失效。
[0025]儲鈉管9中的過濾層92具有多孔結(jié)構(gòu)，該多孔結(jié)構(gòu)的孔徑小于10 μ m,以防止粒徑大于10 μ m的微粒進(jìn)入該徑向間隙401，影響該徑向間隙401的封閉。
[0026]在徑向間隙401中，還填充有間隙填充層13，間隙填充層13由金屬纖維，尤其是柔軟的304或者316L不銹鋼纖維編織而成的。間隙填充層13的孔隙率為30-50%。間隙填充層13對液態(tài)鈉有吸附作用，同時(shí)，由于參加反應(yīng)的液態(tài)鈉僅為電解質(zhì)陶瓷管4的內(nèi)壁和安全管8外壁之間的徑向間隙401中的液態(tài)鈉，因此間隙填充層13的吸附作用還可以減少參與反應(yīng)的液態(tài)鈉量，從而有效控制電解質(zhì)陶瓷管4破裂或生成微裂紋時(shí)鈉硫電池的溫度在600°C以下。
[0027]同時(shí)，電解質(zhì)陶瓷管4外壁的底部設(shè)有底部保護(hù)層10，其厚度d3為10?30mm。底部保護(hù)層10的主要作用是阻止電解質(zhì)陶瓷管4的底部發(fā)生液態(tài)鈉與液態(tài)硫的電化學(xué)反應(yīng)，底部保護(hù)層10可采用絕緣性能優(yōu)秀，且對硫或多硫化鈉不浸潤的無機(jī)耐火纖維材料。底部保護(hù)層10的優(yōu)選材料為硅酸鋁纖維。
[0028]通過緩沖層5和底部保護(hù)層10的協(xié)同作用，可以防止電解質(zhì)陶瓷管4底部的液態(tài)鈉參與反應(yīng)，保護(hù)電解質(zhì)陶瓷管4底部的同時(shí)，降低了對于電解質(zhì)陶瓷管4垂直度和底部圓度的要求，防止電解質(zhì)陶瓷管4破裂，延長電解質(zhì)陶瓷管4的使用壽命，保證鈉硫電池的安全運(yùn)行。
[0029]鈉硫電池工作時(shí)，儲鈉管9內(nèi)的液態(tài)鈉，經(jīng)過濾層92和貫通孔91進(jìn)入安全管8，再從安全管8的頂部，溢流到所述徑向間隙401內(nèi)，徑向間隙401內(nèi)的液態(tài)鈉進(jìn)入到電解質(zhì)陶瓷管4的內(nèi)壁，發(fā)生失電子反應(yīng)，變成鈉離子后，鈉離子透過電解質(zhì)陶瓷管4，從電解質(zhì)陶瓷管4外壁的穿出，進(jìn)入正極室與液態(tài)硫反應(yīng)，生成多硫化鈉。在電解質(zhì)陶瓷管4發(fā)生破裂或生成微裂紋時(shí)，安全管8的徑向膨脹可減少徑向間隙401中的鈉，保證了對鈉硫電池的安全保護(hù)切實(shí)有效，控制鈉硫電池的溫度在600°C以內(nèi)。
[0030]鈉硫電池的另外一項(xiàng)改進(jìn)在于:儲鈉管9的上部空間93，即液態(tài)鈉的液面與負(fù)極密封蓋11之間的空隙中填充有保護(hù)氣體，該保護(hù)氣體無法溶解在液態(tài)鈉中，也無法與液態(tài)鈉發(fā)生反應(yīng)。該保護(hù)氣體優(yōu)選為氮?dú)饣蛘邭鍤猓瑥囊?guī)模生產(chǎn)的角度上來說，優(yōu)選為氮?dú)狻Ｔ阝c硫電池的工作溫度下，儲鈉管9內(nèi)的氣壓Pl為0.2-2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。儲鈉管9的上部空間93的體積為VI。
【權(quán)利要求】
1.一種鈉硫電池負(fù)極，包括電解質(zhì)陶瓷管(4);所述電解質(zhì)陶瓷管(4)徑向內(nèi)側(cè)形成負(fù)極室(400)，所述電解質(zhì)陶瓷管(4)的頂面上設(shè)有徑向向外突出的陶瓷絕緣環(huán)(3)，所述負(fù)極室(400)內(nèi)設(shè)有儲鈉管(9)以及套接在所述儲鈉管(9)外側(cè)的安全管(8)，所述儲鈉管(9)的頂部通過負(fù)極密封蓋(11)封閉，所述陶瓷絕緣環(huán)(3)與所述負(fù)極密封蓋(11)之間設(shè)有負(fù)極密封環(huán)(7 )，將所述負(fù)極室(400 )封閉，其特征在于: 所述安全管(8)外壁的底部與所述電解質(zhì)陶瓷管(4)內(nèi)壁的底部設(shè)有絕緣且對液態(tài)鈉不浸潤的緩沖層(5)，所述電解質(zhì)陶瓷管(4)外壁的底部設(shè)有絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護(hù)層(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈉硫電池負(fù)極，其特征在于:所述緩沖層(5)是采用氧化鋯、氮化硅、氧化鋁粉或碳粉中的任意一種，所述底部保護(hù)層(10)采用硅酸鋁纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈉硫電池負(fù)極，其特征在于:所述安全管(8)與所述電解質(zhì)陶瓷管(4)之間的徑向間隙(401)中設(shè)有間隙填充層(13)，所述間隙填充層(13)由金屬纖維編成，且所述間隙填充層(13)的孔隙率為30?50%。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈉硫電池負(fù)極，其特征在于:所述儲鈉管(9)的底部設(shè)有貫通孔(91)和過濾層(92)，所述過濾層(92)是由304或者316不銹鋼的纖維編織成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種鈉硫電池負(fù)極，其特征在于:所述儲鈉管(9)和所述安全管(8)的底部均為矩形底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的一種鈉硫電池負(fù)極，其特征在于:所述安全管(8)的頂面高于所述電解質(zhì)陶瓷管(4)的頂面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項(xiàng)所述的一種鈉硫電池負(fù)極，其特征在于:所述儲鈉管(9)內(nèi)均填充有保護(hù)氣體。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種鈉硫電池負(fù)極，其特征在于:所述儲鈉管(9)內(nèi)的保護(hù)氣體均為氮?dú)饣驓鍤狻?br> 【文檔編號】H01M4/62GK203491356SQ201320639982
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】龔明光, 劉宇, 周日生, 潘紅濤, 鮑劍明 申請人:上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司