CN1018121B - 金属能量转换装置及其制造方法 - Google Patents

金属能量转换装置及其制造方法

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Abstract

碱金属能量转换装置，具有外壳、电解质元件、电绝缘元件和至少一个第一金属元件。该种装置的制造方法包括先把第一元件固定到一个更厚的另一金属元件上，用热压粘结把第一金属元件密封到绝缘元件上和把另一金属元件固定到外壳上等步骤，也可以把第一金属元件与绝缘元件先层堆起来再同时分别粘结起来。这种方法避免了在制造中金属元件上的保护膜的损坏，能很好地防止腐蚀物质从电极区侵入金属元件。

Description

本发明涉及碱金属能量转换装置例如碱金属电池特别是钠硫电池，这种电池通常用一种固体电解质元件将在电池工作温度下呈液态的阴极和阳极反应剂隔开来。
通常，这种装置包括：一个外壳、一个将外壳的内部分成两个极区的固体电解质元件、一个同电解质元件相连接的电绝缘元件和至少一个封接到绝缘元件上的金属元件。这种结构一般组成电池装置密封结构之一部分，它既使两个电极区彼此隔开，又使电极区与外部环境隔开。例如，这种装置的外壳可以是金属的，所以，电极区的任一种密封都要求在外壳金属与电解质元件之间有一密封层，但是，外壳金属同电解质元件之间必须是电绝缘的，因此，用插入电绝缘元件的办法来保持它们间的绝缘。
专利GB-A-2102622公开了应用于钠硫电池中的这种结构的实例。这种电池带有一个α氧化铝盖子，盖住了管式电解质元件。中心的集流器装在穿通α氧化铝盖的一个孔中，并由盖子使它与电解质元件隔开。位于电解质元件外面的外电极区通过一个外表焊到电池金属外壳上、内表面封接到α氧化铝盖上的薄的闭合金属元件进行密封。薄的金属闭合元件与α氧化铝盖之间的这层密封层有时是通过在薄金属闭合元件与陶瓷盖间加一层软材料（例如铝）热压粘接而成的。
这种粘接是在绝缘元件即α氧化铝陶瓷盖同电解质元件粘接后进行的，因为这种粘接易受高温釉化的影响，釉化会毁坏在金属闭合元件与陶瓷盖之间放入中间层进行热压粘接制成的隔离层。
另一方面，专利EP-A-0166605公开了一种把薄金属元件直接热压粘接到绝缘陶瓷盖上以形成两者间的密封层的技术，这种密封层不受随后的温度循环的不良影响，例如不受绝缘元件随后用釉化法与电解质元件粘接时所需的高温的影响。在绝缘元件连接到电能质元件之前就能够使薄金属元件与绝缘元件间形成这样一种密封层的技术，大大简化了这种密封层的制造工艺。所以，可以同时将多个金属元件与绝缘元件彼此密封起来而制成多个密封对。
显然，钠硫电池和其他碱金属能量转换装置的密封对于制造性能良好而又安全可靠的电池来说是十分重要的，而且由于这些电池的工作温度高（一般350℃），故这个问题极难解决。而采用粘接剂的连接技术的可行性至今尚未证实。
特别是将薄金属闭合元件的周边焊到金属外壳上来密封外电解区域时，密封性取决于薄膜（通常是采用氧化铝和一些普通材料制成）的完整性，这层薄膜是在热压过程中形成在薄的金属元件上。该层薄膜保护金属元件免受外电极（即硫电极）区域内的腐蚀性物质，特别是所形成的多硫化物的侵蚀。
迄今，都是在将金属元件热压密封到α氧化铝盖之后，再直接把薄金属元件焊到金属外壳上。然而，由于焊接时的热量，这一程序破坏了焊缝附近的保护氧化铝薄膜。在电池使用时所产生的多硫化物会导致薄金属元件的腐蚀，并最终破坏密封。
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种碱金属能量转换装置的制造方法，包括提供一个外壳、一个把壳内分成两个电极区的固体电解质元件和一个连接到电解质元件上的电绝缘元件的步骤;用热压粘接把至少一个金属元件密封到绝缘元件上的步骤;把第一金属元件固定到第二金属元件和把第二金属元件固定外壳上的步骤，其特征在于所述的第二金属元件比所述的第一金属元件更厚。
更厚的第二金属元件密封到金属外壳上的设置可使在薄的金属元件上的保护膜不被破坏并且避免了涂覆在迄今所使用的薄的金属元件上的保护膜易损坏的问题。第二金属元件具有厚度更厚的优点，使它能抵抗腐蚀性的多硫化物的侵蚀并因而不需要保护薄膜。另外，固定一个薄的金属元件来密封绝缘元件满足了在后一个密封处在热压粘结和以后的上釉操作以及电池的试验时与不同的热膨胀相适应的柔性的要求。
本发明还提供了一种碱金属能量转换装置，具有一个外壳、在壳内设置的把壳内区域分成两个电极区的一个电解质元件，连接到所述电解质元件上的一个电绝缘元件，用热压粘结法固定到绝缘元件上的第一金属元件和粘结法固定到绝缘元件上的第一金属元件和粘结到上述金属元件并与外壳相连一个所述的电极区的第二金属元件，其特征在于所述的第二金属元件比第一金属元件更厚。
本发明基本上防止了腐蚀物质从部分以外壳为界的外电极区进入金属元件的上述部分，因此，腐蚀物质，例如多硫化物进入到因焊接时热量而使保护氧化层破坏掉的区域的机会减少。所以，实际上消除了外电极区域的密封失效的可能性。
下面参看附图，说明本发明的实例。
图1是一个已知的钠-硫电池装置的纵剖面图;
图2，3和4是相应于本发明的钠-硫电池装置的纵剖面图。
图1示出了中部装钠类型的钠-硫电池，其中包括一个圆柱形β-Al2O3的管形电解质元件14，它的一端（如图中所示21）是整体封闭的，而另一端用一块αAl2O3的端板15封闭。将端板15用上釉法装到电解质元件14的一端来使端板密封起来，并且还起到电绝缘及机械密封的作用。在密封的组件内，可能有铁箔元件（未示出）或网状元件（未示出）紧贴着电解质管14的内圆柱形表面，在靠近组成这个灯芯状物体的表面留下了一个毛细管区域。在组件内充满钠20，在电池的工作温度下它是液体;毛细管使一层液体钠附着在管形电解质元件14的内表面上，通过在αAl2O3元件15内的缝隙22，一根棒形集电器21伸入钠液中。在电解质元件14的圆柱形部分的周围上有一个环形结构的阴极，其由三个第三圆柱形元件23和另一个用硫浸渍的碳纤维材料制成的杯形底座元件（未示出）构成。这些元件设置在管形电解质元件14和金属外壳1之间，阴极元件23与β氧化铝管形电解质元件14和外壳1接触。这些阴极元件可以用已知的方法由纤维材料压制成，纤维材料先用热的硫浸渍，然后冷却使硫凝固，从而保持元件在压缩状态，便于电池的装配。当电池升温到工作温度，典型的为350°，硫熔化，纤维材料的回弹使元件23跟外壳1和管形电解质元件14都接触得很好。外壳，最好用Inconel 600合金或含铬的低碳钢制成，在它的内表面镀上一层抗腐蚀的导电涂层24，在外壳及碳纤维材料之间提供了一个导电的通路。
α氧化铝板15制成带有一个中心孔22的盘。用Inconel    600或Fecrallog    A制成的环形金属元件25将这块板密封到外壳1上，方法是将它焊到外壳的周边上并且在中心孔22的周围的环形区内热部位压粘结到板15上。电池的中心部位用下列办法进行封严，用一个集电器21穿过孔22，固定到一个内金属元件9上，并通过热压法与α氧化铝板上的孔22的周边相粘结。元件9在环形金属元件25里面，径向向里与金属元件25隔开，它们相互之间是用α氧化铝盘电绝缘的。
在电池的制造过程中，先将金属元件25和9粘结到α氧化铝的端板15上。粘结是在高温真空或惰性气氛下加压进行的。对于厚0.075mm（3毫英寸）的Fecralloy金属元件的典型粘结条件为：
最高粘结温度＝1000℃，
在最高温度下保持的时间＝20分。
粘结压力＝24.5Nmm2，
粘结室的真空度＝4×10-2torr。
内金属元件9的径向范围相对比较小，通过一个支撑垫圈10加压来密封内金属元件9的外周边使垫圈10的材料粘到元件9上。通过另一个支撑垫圈11将外金属元件25上的一个小环形区（在内金属元件周围，但与内金属元件稍微隔开）密封到α氧化铝盖上，
一个加强垫圈8也用热压法粘结到内金属元件（环形板）9上。加强垫圈8的厚度比元件9厚，它用来支持元件9的内周边部分使它基本上保持刚性。垫圈8的外径比支撑垫圈10的直径大体上要小一些并相应于元件9和α氧化铝盖15之间密封的位置。
延伸穿过孔22的中心集电器21具有一个环形的凸缘7，它对着加固垫圈8的内圈而密封，并且焊接起来以保证其密封性能。
由于元件9只有外周边部分粘在α氧化铝盖15上，因此在与中心集电器21的密封及与盖15的密封之间具有柔性。元件9的材料加工成相当薄以使在支撑垫圈10和加固垫圈8之间的标为26的区域内可以有一些变形。
使用本工艺技术，由端板12与它们的金属元件组成的一些亚组件可以在一次操作中装配及制造出来。
本发明更特别关心电极区域的外边、也就是在管形电解质元件14和金属外壳1之间的区域的密封问题。
现在转到图2，图2中使用的代号与整体结构相同，图中示出了一个第一个金属元件5，固定到另一个实质上更厚的金属元件4上。
第一个金属元件5，基本上是环形的，以它的内周边表面上的一个窄区固定到α氧化铝陶瓷盖15上，结合力是通过粘到上述第一个金属元件5上的一个环形金属垫圈6加上的。设置了连接垫圈2把第一个金属元件与夹在该垫圈与另一个金属元件4之间，用电子束焊把第一个金属元件5固定在其位置上。一般，第一个金属元件的材料是Fecralloy，另一个金属元件4和连接垫圈2的材料是Inconel，而支撑垫圈的材料为Nilok。最好，把第一个金属元件5焊到另一个金属元件4上组成一个亚组装件，以后再用热压粘结法把它固定到陶瓷盖15上。最后，用电子束焊把另一个金属元件4焊到金属外壳1上来保证外电极区域的密封。
实际上，这里提到的电子束焊接可以用其它任意的低能焊接工艺例如激光焊接或微脉冲的钨极惰性气体保护焊来替代。
这个密封处的几何特性能使密封处的紧贴部分形成实质上能自夹 紧的一个接头。因而，能很方便地进行电子束焊，使焊接生产率高。
在图3上，另一个更厚的金属元件4制成一个环形元件。最好，第一个金属元件5的外周边夹在另一个金属元件12和上述的另一个更厚的金属元件4之间，并用电子束焊来固定。接着，用前面所述的热压粘结方法把第一个金属元件5固定到陶瓷盖15上。最后，用电子束焊把金属元件4焊到金属外壳1上以密封外电极区。环形金属元件4和12可以是从管上很方便地切下来的环，这样可有效地利用金属。
参看图4，在第一个金属元件5的外周边上有一个上翻的凸缘18。用上述的热压方法把元件5固定到陶瓷盖上。然后，用电子束焊把元件5上的一部分16焊到外壳1上。上翻的凸缘的形状与该外壳紧密相贴，因此防止腐蚀物质从外电极区域侵入。设置了环形元件17将金属元件5紧紧地夹在它与外壳之间。
对于上述的实施例，可以很方便地将一些第一金属元件同时分别粘结到绝缘的陶瓷元件上，方法是把几层所述的第一金属元件和绝缘元件堆起来并对堆成的组件施加粘结压力和加热。

Claims (25)

1、一种碱金属能量转换装置的制造方法，包括提供一个外壳、一个把壳内分成两个电极区的固体电解质元件和一个连接到电解质元件上的电绝缘元件的步骤；用热压粘接把至少一个金属元件密封到绝缘元件上的步骤；把第一金属元件固定到第二金属元件和把第二金属元件固定到壳上的步骤，其特征在于所述的第二金属元件比所述的第一金属元件更厚。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于还包括把第三金属元件固定到第一金属元件上，因而把所述的第一金属元件设置在所述的第二金属元件和所述第三金属元件之间的步骤。
3、根据权利要求2的方法，其特征在于第二金属元件和第三金属元件中至少有一个是环形的。
4、根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于在把绝缘元件固定到电解质元件之前用热压粘结法把第一金属元件直接固定到绝缘元件上。
5、根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于将所述的第一金属元件和所述的绝缘元件一层层堆起来并对该堆层施加粘结压力和加热使多个第一金属元件同时分别粘结到绝缘元件上。
6、根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于外壳是圆柱形的，电解质元件是管形的，而第一金属元件是环形的，其中开有中心孔，通过该孔插入一个集电器并跟第一金属元件用绝缘隔开。
7、根据权利要求6的方法，其特征在于用热压粘结把环形第一金属元件内周边的窄的内部区域固定到绝缘元件上。
8、根据权利要求6或7的方法，其特征在于通过粘结到所述的第一金属元件上的一个环形金属垫圈施加粘结压力。
9、根据权利要求6的方法，其特征在于在环形的第一金属元件被固定到绝缘元件上并且电解质元件已大体上跟绝缘元件相连接起来以后，沿外壳的一端的周边把外壳焊接起来以密封所述的两个电极区的外部。
10、根据权利要求6的方法，其特征在于绝缘元件是管形电解质元件的一个盘形陶瓷盖，并用热压粘结法把一个内金属元件固定到盖上来提供一个密封集电器周围的金属元件，集电器通过该内金属元件和在盖上的孔插入。
11、根据权利要求10的方法，其特征在于所述内金属元件和所述的第一金属元件同时焊到盖上。
12、根据权利要求10或11的方法，其特征在于通过粘结到所述的金属元件上的一个环形金属支撑元件把粘结压力加到所述的内金属元件上。
13、根据权利要求10-12中任一项的方法，其特征在于所述的内金属元件制成一个平的环形板，其外径小于上述的第一金属元件的内径，并且内金属元件只有外周边被热压粘结到盖上。
14、根据权利要求13的方法，其特征在于把一个金属加固垫圈贴着它的内周边粘结到所述的内金属元件上，垫圈的外径比内金属元件与盖的密封处直径小，并且集电器被密封且是与加固垫圈电连通的。
15、根据权利要求1-3，7，9-11和11中任一项的方法，其特征在于绝缘陶瓷元件由α氧化铝制成，而电解质元件由β氧化铝制成。
16、一种碱金属能量转换装置，具有一个外壳，在壳内设置的把壳内区域分成两个电极区的一个电解质元件，连接到所述电解质元件上的一个电绝缘元件，用热压粘结法固定到绝缘元件上的第一金属元件和粘结法固定到绝缘元件上的第一金属元件和粘结到上述金属元件并与外壳相连一个所述的电极区的第二金属元件，其特征在于所述的第二金属元件比第一金属元件更厚。
17、根据权利要求16的装置，其中还包括固定到第一金属元件上的第二金属元件，所述的第一金属元件的一部分被夹在所述的第三金属元件和所述的第二金属元件之间。
18、根据权利要求16或17的装置，其特征在于所述的外壳是圆柱形的，电解质元件是管形的，而第一金属元件是环形的并开有中心孔集电器插入孔中且与第一金属元件绝缘隔开。
19、根据权利要求18的装置，其特征在于所述的第一金属元件的内周边的窄的内部区域热压粘结固定在所述的绝缘元件上。
20、根据权利要求19的装置，其特征在于所述的第一金属元件夹在金属支撑垫圈和绝缘元件之间，并且热压粘结到该两元件的一个环形区上。
21、根据权利要求18-20任一项的装置，其特征在于所述的绝缘元件是管形电解质元件的一个盘形陶瓷盖，还有一内金属元件热压粘结固定到该盖上以提供一个密封集电器周围的金属元件。
22、根据权利要求21的装置，其特征在于所述的内金属元件夹在环形金属支撑垫圈和绝缘陶瓷盖之间，且热压粘结到该两元件的一个环形区上。
23、根据权利要求21或22的装置，其特征在于所述的内金属元件制成一块环形的平板，其外径小于所述的第一金属元件的内径并且仅仅内金属元件的外周边粘结到盖上。
24、根据权利要求23的装置，其特征在于所述的金属加固垫圈贴着它的内周边粘结到所述的内金属元件上，垫圈的外径比内金属元件与盖的密封处直径小，并且集电器被密封且是与加固垫圈电连通的。
25、根据权利要求16-17，19-20和22中任一项的装置，其特征在于至少所述的第一金属元件和第三金属元件中一个由抗钠和/或硫/多硫化钠的化学腐蚀的铁基或镍基合金制成。
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