CN1011007B - 碱性金属开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碱金属开关装置，它包括分成两部分的导电杆，安装在一个装有钠的β氧化铝管中：钠的液面决定导电杆两部分间是否构成电通路。外层导管中的钠也包围着内层β氧化铝管，利用一个电阻器在外管到导电杆的一部分间建立电连接。当电流沿着故障电池放电的方向流过该开关时，这种结构使得内管里的钠比外侧的钠电位高，因此，钠阳离子能从内管中流出，使钠液面降低，直到开关断开，从而防止进一步通过该故障电池放电。

Description

本发明涉及碱性金属开关装置。

碱性金属电化学电池已经周知，目前人们特别进行了大量研究和开发的一种是钠/硫电池。在这种电池中，采用钠金属作为电池的阳极，采用硫/多硫化钠作为电池的阴极。电池工作在阳极和阴极材料均为液态时所需的温度，阳极和阴极靠一种由可传导钠阳离子的电绝缘材料构成的固体电解质部件隔开。一种典型的电解质材料是β氧化铝。在一个完全充了电的电池里，阴极材料基本上都是硫。当电池放电时，钠阳离子发生迁移，通过该电解质与钠产生化学反应，形成多硫化钠，直到所有的钠基本上已从阳极区域迁移，或基本上所有的硫已经起反应形成一种最低态多硫化钠时，该电池呈完全放电状态。在该电池重新充电过程中，钠从多硫化钠中分离，通过电解质迁移回阳极区。

为了达到所需的总存储容量和所需的输出电压，要将钠硫电池连接成电池网络。如果需要用电池组中几串串联连接的电池提供所需的输出电压的话，一般在实践中是再将相应的不同串的电池並联连接起来，最好在每串等电位的相应电池之间直接进行並联连接。由于全充或全放时，单个电池有可能使电路开路（或由于某种损坏），因而更需要上述那种电池组中各电池的串/並联。如果只是在串联连接的电池长串的末端进行並联连接，那么该串电池中某个电池开路时，就会使这一整串电池与电池组中其余的电池断开。

然而，当一个电池发生短路故障时，不同串电池进行多重並联连接会使整个电池组变得更易损坏，在该组中所有与之並联连接的电 池可能经该故障电池放电。结果，实际上目前使用电池组的结构是将几个电池串联成串，再把这些电池串並联连接。完整的电池组是由若干这种並联连接的电池串串联连接构成的。

美国专利US-A-4414297公开了一种分流元件，该元件可以与电池组里串联连接的一串电池中某个电池並联连接。当与该元件並联连接的单个电池上具有正常工作电压时，这个分流元件是开路的。可是一旦该电池发生故障，失去了其本来具有的输出电压，变成一个相当高的电阻，放电电流连续流过损坏的电池，致使在故障电池上产生一个反向电位差，随着这一反向电位差的出现，该分流装置变成短路状态，从而在该损坏电池的附近提供了一个旁路。

这种分流装置由两个含有液态碱金属並用一种可传导阳离子的电绝缘隔层隔开的两个区域组成。第一区有两个电流收集器，其中一个收集器始终与该区内含有的碱金属保持接触，而另一个则只有当碱金属到达该区中的预定液面时，才与碱金属相接触。第二区具有一个始终与该区中的碱金属相接触的电流收集器。第二区里的电流收集器与第一区中一般不与该区中的碱金属接触的那个电流收集器直接相连接，在第一区中始终与该区碱金属接触的那个电流收集器与要並联的电池正极直接连接，而将其他两个电流收集器连接到该电池的负极。因此，当这个电池工作时，在两个区域里的碱金属之间产生一个正电位，势必将碱金属排进第二区。在由于这个电池故障导致极性相反的情况下，碱金属会从第二区被排进第一区，直到第一区里的金属液面达到使该金属与第一区中第二个电流收集器相接触时为止。这样就在第一区里通过碱金属产生一个短路通路，即对有故障的电池产生分路。

应该看到，对于上述已有技术的分流器件，一旦在第一区中的碱 金属液面已经升高到能与该区中第二个电流收集器相接触后，该器件则除了运载绕过故障电池分流的旁路电流外基本上不起作用了。这是由于在第二区里的电流收集器和第一区里的第二个电流收集器是直接连接在一起的，因此，一旦碱金属到达第一区中第二个电流收集器液面时，在这两层中的碱金属之间就不会产生电位差。结果可看出，上述分流器件只有当从开路状态不可逆地变为短路状态时才起到分流器件的作用。

另一个参考文献GB-A-1516638描述了一种钠硫电池，该电池在阳极区具有一个附加的电流收集器，並且通过一个电阻与阴极区电流收集器相连接。这个阳极区里的附加电流收集器只有当阳极区里的碱金属到达相应于电池充电的最大水准的液面时，才与该区的碱金属接触，从而造成一个旁路，使以后充电电流通过上述电阻流过。这种连接法可以确保串联在一起的一个电池串中的所有电池能达到最大充电值。

按照本发明，一种碱性金属开关装置包括第一和第二区，每区都含有碱性金属，在该装置的工作温度下该碱性金属呈液态;还包括一种传导阳离子的电绝缘隔层将第一、第二区隔开，並且与两个区里的碱金属均相接触;这个装置按预定的方向运行，並且在上述第一区里的液态碱金属液面取决于该区里所装有的碱金属量;还包括在上述第一区内的第一和第二电流收集器，二者只有在第一区里的液态碱金属液面是位于或高出预定液面之上时，才都与该第一区里的液态碱金属电接触;还包括与第二区内液态碱金属有电接触的第三电流收集器;还包括第一个连接端子，它与第一个电流收集器相连接;还包括与第三个电流收集器进行电连接的第二个连接端子以及接在第二个电流收 集器和第二个连接端子之间的一个有预定电阻值的电阻。

在这样一种开关装置中，当在第一区里的液态碱金属液面到达或高于预定液面值时，从第二个端子流向第一个端子的正电流首先流过上述有预定值的电阻和第二个及第一个电流收集器之间的地方，因此在第一第二区的碱金属之间产生一个电位差，並且势必引起所含的碱金属从第二区排向第一区。

但是从另一方面来说，当第一区里的碱金属液面是在预定水准之上时，如果正电流第一个端子流向第二个端子，通过电阻的电流则会在第一、二区里的碱金属之间产生一个电压，促使碱金属阳离子从第一区迁移到第二区。这就使第一区中的碱金属液面逐渐减少，直到减少到预定液面以下，使第一、第二电流收集器中至少有一个与碱金属脱离接触，因此断开了通过电阻元件的电流通路。如果只是第二个电流收集器与碱金属脱离接触，而第一个电流收集器保持接触，则由于通过隔层的阳离子传导电流继续流动，直到在第一区里的碱金属被排尽或下降到低于能使碱金属保持与第一个电流收集器接触的液面高度，这时在第一、第二端子之间不会再有电流流动。

相反，如果当液面下降到预定液面值以下，第一个电流收集器与碱金属脱离接触时，则使从第一个到第二个连接端子的电流通路立即中断。在这两种情况下，当从第一个连接端子到第二个连接端子所汇集的正电流超过预定的总充电容量时，该开关装置能有效地断开这两个连接端子之间的电路。

因此，在一个优选的申请中，提供的一种碱性金属电池的电池组装置，它包括了並联连接的若干电池或若干电池串联成串再並联连接，並且包括至少一个上面描述的碱金属开关装置，该开关装置在第一区 里有于正常工作时到达或高于上述预定液面值的呈液态的碱金属，並且被它的连接端子使其与一个电池或一串电池串联连接，以使从该电池或电池串经由在第一区中的第一和第二电流收集器流经该开关装置的放电电流可以在上述具有预定阻值的电阻两端产生一个电压，相对于第一个和第二个电流收集器来说，第三个电流收集器上所施加的是正偏压。结果，当有放电电流流过碱金属装置时，促使碱金属从第二个区排进第一个区，並保持第一区中的碱金属液面在预定液面以上。可是，当有充电电流流经该开关装置到与之串联连接的电池或电池串时，第三个电流收集器相对于第一个和第二个电流收集器变成负偏置，因此促使该碱金属的阳离子从第一区迁移到第二区，阳离子的迁移速度以及在第一区中的碱金属减少的速度取决于能产生电位差的电阻的阻值和流经该装置的充电电流值。在使用中，该开关装置设计成具有适当选择的电阻值和保证使第一区里的液面降到预定液面以下所必需从第一区向第二区迁移的碱金属量，这样就使充电电流可以连续不断地流过该开关装置，以完成对与之串联的电池或电池组的完全充电。但是，如果充电电流持续过久，或过大，以至总充电量超过了与之串联的电池或电池组的正常容量，在第一区里的碱金属就会减少到低于所述预定液面，从而立刻或很快使该开关装置把电路断开。

因此，当电池的损坏造成了经过该电池的持续的导电通路时，这种串联连接的开关装置可以有效地将损坏的电池或包含有损坏电池的电池串隔离开。较典型的电池故障的原因是由于分隔电池阳、阴极区的固态电介质器件的完整性受到损坏，这样阴极的成分就可以迁移进阳极区，使电池开始放电，最后导致在该电池上产生一个连续不断的导电通路，而在前面介绍的没有这种开关装置连接到电池组里的情况 下，这样一个与许多其他电池並联连接的故障电池，会引起其他电池经由该故障电池放电。另一方面，一旦有过量的充电电流流进了该故障电池，则与该故障电池串联连接的该开关装置可以隔离开故障电池，以使其余的並联连接的电池能够继续在电池组里提供功率。

本发明也可以从另一个不同的角度来说明。一个碱金属电池组由若干並联连接的电池或将多串串联连接的电池並联连接所组成。其中每个电池或电池串分别与一个开关装置相连，每个所述开关装置一般是正常闭合的，使充电和放电电流能够通过该装置流到有关的电池或电池串，並且使当超过了相关的电池或电池串的容量的预定的总电量沿电池充电方向通过该开关装置时，该装置能断开该相关的电池或者电池组。上述开关装置在一个电池组里的布置方式是使得电池组里基本上每个单个电池与邻近的处于同一电位的各电池並联连接，並且每一处均各自附有一个开关装置。这些开关装置的存在，可以避免故障电池附近的整套电池组通过这一个损坏了的电池放电。

每个所述的开关装置包括产生一个对应于使充电电流流到所接的电池或电池组的偏压的装置;也包括一个碱金属容器，其中装有的碱金属在工作温度时呈液态;还包括一个可传导碱金属的阳离子的电绝缘隔层，用来将该容器分隔为第一和第二区;还包括一个偏置装置，将所述的偏压加到隔层的两侧的液态碱金属上，以根据所施加电压驱使碱金属的阳离子通过该隔层从一个区移到另一个区;以及包括一个正常时闭合的触点装置，允许充、放电电流流过，並当相当于预定总电量的预定液态碱金属通过隔层从一个区迁移到另一个区后，根据在第一区中的液态碱金属的液面，触点装置开断，切断所述的电流。

最好，所说的触点装置是由第一和第二个电流收集器组成，它通 常与在第一区内位于或高于预定液面的液态碱金属相接触，所述偏置装置配置为按充电电流来驱使阳离子从第一区迁移到第二区。

所述产生偏压的装置是一个流过所述的充、放电电流的与第二个电流收集器串联连接的电阻，这种偏压装置也可以包括一个与在第二区里液态碱金属具有电接触的第三个电流收集器，並且将其电气上连接到上述电阻上不靠第二个电流收集器的那一端。

下面结合附图介绍本发明的实例。

图1是在一个电池组中並联连接的钠硫电池的示意图，其中包括一个实施了本发明的碱金属开关装置，该装置与每一个电池串联连接，图中所示出的是该装置的剖面图;

图2是与图1相当的示意图，以剖面图形式表示一个开关装置的不同实施方案。

如前所述，一个钠硫电池组可以由各单个电池並联连接成套，几套这种电池组串联连接成具有所希望的输出电压值的电池组。该电池组里电池的並联连接方式可以防止当损坏或完全放电或过度放电时单个电池造成开路的影响。但是，如果一个电池发生故障短路，或至少有一个通过该故障电池的持续的导电通路，这个电池组则变得极易损坏，而所有与故障电池並联的其他电池将对故障电池放电。

根据本发明的一个实施方案，将各开关装置与该电池组的每个电池串联连接，该开关装置正常时处于短路状态，只有当传送到相连电池的充电电流超过该电池的总容量时，与该电池串联的开关装置变成开路状态，从而将该损坏电池与整个电池组脱离，防止並联连接的电池放电。

参看图1，图中所示的电池组的一部分由並联连接的钠硫电池 10和11组成。相应的开关装置12、13分别与电池10、11串联连接。

每个开关装置12、13包括一段由β氧化铝制成的端部开口的管14，该管的两端分别被圆盘15、16封位，圆盘采用一种绝缘陶瓷材料，例如α氧化铝，导电杆17、18穿过圆盘15、16中心的密封孔。如图所示，杆17和18可以与β氧化铝管14同轴，不过在管14中，两杆之间具有一个间隙19，此间隙可以是敞开的，也可由一种绝缘物质填充。

圆盘15和16的直径比管14的直径大，因此限定了一个环形区20，该区由一个外层导管21所围绕，导管的各端在圆盘15和16圆周的附近被密封住。

环形区20包含一种导电的多孔芯，例如碳毡，在β氧化铝管的内层区22内一开始加入钠金属其液面达到高于导电杆17和18间的间隙，从而通过钠金属在杆17和18之间建立了一个电通路。

开关装置12适应在钠硫电池或电池组的正常工作温度下使用，典型的温度是350℃，此种温度下钠金属是液态。

外部环形区20开始也装有少量的浸渗入多孔填充材料里的钠。

重要的是，将内部区22和外部环形区20进行有效的密封，以容纳这种液态钠金属，並能经得起在预期的钠硫电池组运行过程中温度的变化，β氧化铝管14也可以通过上釉子办法密封到α氧化铝圆盘15和16上。密封导电杆17和18穿过圆盘15和16的孔处以及外层导电管21沿着圆盘15和16的圆周处时可以采用热压结合技术。

开关装置12具有两个端子23和24。端子23直接连接到导 电杆17的最上部。端子24直接连接到外层导电管21。下部的导电杆18经由电阻25连接到端子24上。电阻25具有几毫欧姆的阻值，在使用中也可以对其尺寸及材料结构进行适当的选择。

在正常工作时，两个杆17和18通过在内区22里的液态钠金属电气上连接到一起。下部端子24与钠硫电池10的正极相连接，而上部端子23与附近的电池组中的开关装置13的相应端子並联连接，从电池10流过这个开关装置的放电电流在电阻25上产生一个小电压，使外层管21相对于导电杆18具有稍高的正电位。结果使在外部环形区20里所有可利用的钠的阳离子，经过可透过阳离子的β氧化铝管14，迁移到内部区22里，因此在电池10的放电过程中，内部区22里钠的液面增加，或维持在最大液面，这样就在导电杆17和18之间通过钠为放电电流提供了持续的导通。

可是，在钠硫电池10的再充电过程中，充电电流沿相反的方向从端子23流向端子24，在电阻25上产生一个电位差，使内部区22里的钠相对于外层环形区20具有稍高的正电位。结果在电池10充电时，使钠的阳离子经过β氧化铝管14，从内部区22迁移到外部环形区20。因此在内部区22里的钠液面逐渐下降。如果液面下降到低于能与上述导电杆17接触的液面时，在开关的端子23和24之间的导电通路则断开，使得该电池10被有效地隔离开。

开关装置12设计成具有合适的电阻25的阻值，並具有合适的、能确保在某充电电流时经由管14迁移的钠金属量，使区22中钠的液面下降到杆17底部以下，以便在供给电池10的电量相当于该电池的预定容量的情况下，区22中的钠液面保持在杆17的底端以上。因此如果电池10运行正常，则开关装置12继续在端子23和端子 24之间提供一条导电通路，以保证电池10的连续的充、放电周期。

但是在电池10发生损坏的情况下，本来应在该电池上具有的正常的电位差消失了，这使与该电池並联连接的其他电池势必通过电池10放电。接入开关装置12后，当供给电池10的连续充电电流经过相当时候超过正常的预期的电池容量时，导致在区22中的钠液面下降到导电杆17的底端以下，这时开关装置12使电路断开，不会再有电流流进或从电池10流出，从而将电池10有效地与电路隔离开。

开关装置12的尺寸可以根据在电池组里所用的电池尺寸变动很大，对一个具有大约10安培小时容量的电池，在其开关装置里的β氧化铝管14可以制成直径1厘米，长度为1厘米。

对于此种开关装置的设计，可以是各式各样的。例如图2所示方案，在装有液态钠金属的内部区里;两个导电部件可以只穿过上部密封的圆盘放入。在图2中，一根内部导电杆30与同轴的外部导电圆筒部件31共同密封在一个陶瓷绝缘圆盘32的孔中。在这同心的装置中，β氧化铝管可以制成具有封闭的管底34的管33的式样，管子上部的开口靠α氧化铝圆盘32密封。在图中所示的实施例中，通过在β氧化铝管34里的液态钠35的作用，得以在内导电杆30和外圆筒部件31之间建立直接的电连接，除非管34中的钠液面下降到圆筒31底端以下。

如以前一样，圆筒31通过电阻25连接到外层导电容器36上，该容器本身直接与端子24相连。图2所示的开关装置与图1所示装置工作方式相同。不过在图2的结构中，在金属导电件与陶瓷件之间的唯一密封是在外部圆筒31和圆盘之间，这一密封仅仅受到钠蒸汽 的影响，因为它是位于β电介质管34里液态钠的最高液面上部，因此使这一密封的可靠性得到进一步改善。

对这种开关装置的要求是“工作可靠”。这一点可以通过合理配置在β氧化铝管内和外的开关装置两个区里钠的总容积来得到保证。还要考虑到β氧化铝管产生裂缝时，剩余在管内的钠的液面下降到能维持两个导电器件接触所需液面以下，也就是说，在开关装置里的β氧化铝电介质损坏的情况下，该开关装置变为开路状态。

进一步还可以要求所使用的开关装置数量要少于电池组里钠硫电池的数量。例如，开关装置可以与两个或更多的钠硫电池串联连接的电池串相串联，或仅与在相应电池组中的並联连接的完全保护的电池串进行串联。这种配置减少了电池组的成本，但也使当某个电池损坏而受保护的电池串中所有其他电池能从电池组中脱开这可能的好处减少了。

Claims (10)

1、一种碱性金属开关装置，包括第一和第二两个区，每个区内装有在该装置的工作温度下呈液态的碱金属；还包括一个可传导阳离子的电绝缘隔层将所述第一和第二区分隔开，而与两个区里的碱金属相接触，该装置按预定的方向运行，且在所述第一区里的液态碱金属的液面取决于其中所装有的碱金属量；还包括在所述第一区里的第一和第二电流收集器，二者只有当在所述第一区里的液态碱金属液面达到或高于所述第一区里的预定液面时才都与所述第一区里的液态碱金属相电接触；还包括一个与第二区里的碱金属具有电接触的第三电流收集器；还包括第一个连接端子，它与第一个电流收集器相连接；还包括第二个连接端子，它与第三个电流收集器相连接；以及包括接在第二个电流收集器和第二个连接端子间的一个具有预定阻值的电阻。

2、如权利要求1所述的开关装置，其中当液态碱金属低于所述预定的液面时，在所述的第一和第二电流收集器中的一个与所述的第一区里的碱金属保持电接触。

3、如权利要求2所述的开关装置，其中所述的电流收集器中的所述的一个，指的是所述的第二个电流收集器。

4、一个碱金属电池的电池组，包括：由许多並联连接的电池或串联连接的电池串並联组成，而且包括至少一个如任一个前述权利要求所述的碱金属开关装置，该装置的所述的第一区里的液态碱金属，在正常工作时液面位于或高于所述预定液面，並通过其连接端子与一个电池或一组电池串联连接，使从该电池或电池组流出的、经由第一区里的第一和第二电流收集器通过该装置的放电电流在所述预定的电阻上产生一个电位差，使第三电流收集器相对于第一和第二电流收集器具有正偏压。

5、如权利要求4所述的电池组，其中的碱金属开关装置的第一区内具有液态碱金属的最大限量值，它应超过相应于所规定液面的最小量，所述预定的电阻的阻值根据最大超过量和通过该装置传递到所连电池或电池串的总电量来选择，以允许在第一区里的液态碱金属下落到所规定液面以下之前，所述的总电量可由开关装置向电池传送。

6、一个碱金属电池组，包括：由许多並联连接的电池或将串联连接的电池串並联而成，並且包括与每个电池或电池串串联连接的各个开关装置，每个所述开关装置通常处于闭合状态，使充、放电电流经由该装置流到相连的电池或电池串，当预定的超过相连电池或电池串容量的总电量沿电池充电方向流经该开关装置时，该装置能将有关的电池或电池串与电路隔离开。

7、如权利要求6所述的电池组，其中每个所述的开关装置包括：能建立相应于流过相连电池或电池串的充电电流的偏压的装置，一个容纳在工作温度下呈液态的碱金属容器，和一个电绝缘隔层，该隔层可以传导碱金属阳离子並分隔容器为第一和第二区，该偏压装置将所述的偏压加到隔层两侧的液态碱金属上，根据所加的电压驱使碱金属中的阳离子穿过该隔层从一个区迁移到另一个区，以及包括一个通常闭合的触点装置让所述的充、放电电流流过，在相当于所述预定的总电量的预定的液态碱金属量通过隔属从一个区迁移到另一个区后，根据所述的第一区中液态碱金属的液面，此开关装置断开，切断所说的电流。

8、如权利要求7所述的电池组，其中所述的触点装置是由第一和第二电流收集器组成，这两个电流收集器通常与在所述第一区里的位于或高于预定液面的液态碱金属相电接触，所述偏置装置配置为按充电电流来驱使阳离子从所述第一区迁移到所述第二区内。

9、如权利要求8所述的电池组，其中所述产生偏置电压的装置是一个流过所述充电和放电电流的与所述第二电流收集器串联连接的电阻。

10、如权利要求9所述的电池组，其中所述偏压装置包括一个与在第二区内的液态碱金属有电接触的第三电流收集器，並且将其电气上连接到上述电阻上不靠第二电流收集器的那一端。

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