CN102124590B - 密封环和相关联的方法 - Google Patents

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Abstract

一种物品，其包括用于能量储存装置的密封环。该密封环具有可焊接的第一部分和可焊接的第二部分。该第一部分与第二部分可通过电绝缘的第三部分而彼此电隔离。

Description

密封环和相关联的方法
技术领域
本发明包括涉及用于能量储存装置的密封材料和密封环的实施例。本发明包括涉及密封电化学电池的方法的实施例。
背景技术
已对使用钠用于负电极的高温可再充电电池进行开发工作。利用钠离子传导的固态电解质来分隔液态钠负电极与正电极。合适材料包括β氧化铝和β″氧化铝，被称作β氧化铝分隔件电解质(BASE)。某些电化学电池具有金属壳体。电池与金属壳体的内部部件可密封到电池的内部部件。电池的陶瓷部件可经由密封玻璃而接合。密封玻璃可具有与其使用相关联的不合需要的特征。金属部件可通过焊接或者热压缩结合而接合。由高温电池中不同材料形成的结合部件可能会开裂，这是由于热膨胀系数失配所致的热应力造成。陶瓷部件与金属部件的热膨胀系数可非常不同。该结合可具有有限寿命，且结合故障可造成电池故障。
可需要用于能量储存装置的密封材料，其不同于目前可用的那些密封材料。可需要不同于目前可用的那些密封结构的密封结构。可需要不同于目前可用的那些方法的密封能量储存装置的密封方法。
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种包括用于能量储存装置的密封环的物品。密封环包括可焊接的第一部分和可焊接的第二部分。可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可由电绝缘的第三部分而彼此电隔离。
根据本发明的实施例，提供一种包括用于能量储存装置的密封环的物品。密封环包括第一部分和第二部分。第一部分与第二部分中的每一个包括基于氧化铝的金属陶瓷，基于氧化铝的金属陶瓷具有足以允许焊接该密封环的金属量。第三区插置于第一部分与第二部分之间，且其电绝缘使得其电隔离第一部分与第二部分。
在本发明的一实施例中提供一种能量储存装置。该装置包括离子传导且电绝缘的基于氧化铝的分隔件。该分隔件具有：第一表面，其限定第一腔室的至少一部分；以及，第二表面，其限定第二腔室，并且第一腔室通过分隔件与第二腔室离子连通。该装置还包括阴极材料。阴极材料包括金属卤化物，金属卤化物与分隔件连通且能够形成能通过分隔件传导的离子。而且，该装置包括密封环。密封环包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部分各包括基于氧化铝的金属陶瓷。第三区插置于密封环的第一部分与第二部分之间且电绝缘。密封环通过与在能量储存装置操作期间形成的金属卤化物的反应产物接触而耐受腐蚀或降解。
在一实施例中，第二腔室是阳极腔室，其可包括在使用期间熔融的阳极材料。合适的阳极材料可包括金属钠。环表面的部分和/或焊接结构的部分和/或玻璃密封的部分可尤其遭受高温金属钠蒸汽、关于热膨胀系数失配的热循环和其它情况。密封环、焊接结构和玻璃密封的材料和特点的选择应考虑操作条件。
根据本发明的实施例，提供一种形成密封环的方法，该密封环能密封能量储存装置。密封环具有高金属含量的第一部分，或者可在该第一部分焊接；且具有高金属含量的第二部分，或者可在该第二部分焊接。而且，第一部分与第二部分由电绝缘部分而电隔离。
附图说明
图1是根据本发明的一实施例的物品的截面侧视示意图。
具体实施方式
本发明包括涉及用于能量储存装置的密封材料和密封环的实施例。本发明包括涉及密封能量储存装置中的电化学电池方法的实施例。
如本文所用的阴极材料是在充电期间供应电子且作为氧化还原反应的部分存在的材料。阳极材料在充电期间接受电子且作为氧化还原反应的部分存在。整料是单块或单件，与通过将多个块或多个件融合或结合在一起制成的部件区别。
用语焊接用于通过热或压缩而联合或熔合(为金属件)。为了易于说明，除非由语言或上下文另外表示，用语“焊接”包括热压缩结合、锡焊和钎焊，作为传统焊接意义的补充。为了焊接，合适能源可包括火焰、等离子体、电弧、激光、电子束、摩擦、RF和超声。在一实施例中，焊接合并待接合的部件。发生合并，其中两个或两个以上的可焊接的材料件通过液化它们要结合的位置，使这些液体一起流动和允许液体固化而结合在一起。在合并过程结束时，两件变成一个连续固体。
如在整个说明书和权利要求中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定量表示可允许变化而不会导致其所相关的基础功能变化。因此，由诸如“大约”用语修饰的值并不限于所规定的精确值。在某些情形下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。
根据本发明的实施例，提供包括用于能量储存装置的密封环的物品。密封环包括可焊接的第一部分和可焊接的第二部分。可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可由电绝缘的第三部分而彼此电隔离。在一实施例中，密封环是整料。
可焊接的第一部分和可焊接的第二部分可由组成和/或功能而限定。可焊接的第一部分无需具有与可焊接的第二部分相同的组成。在可焊接的第一部分密封到可焊接的第二部分所密封的部件上的情况下，可焊接的部分可在组成上彼此不同。在一实施例中，可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可具有相同的金属陶瓷，即，相同的陶瓷金属组成。在一实施例中，可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可包括不同的金属陶瓷。用于可焊接的第一部分与可焊接的第二部分的组成可在金属陶瓷中所存在的陶瓷材料的类型或量，金属陶瓷中存在的金属的类型或量，以及金属陶瓷中存在的金属与陶瓷的比例方面不同。
关于密封环，功能涉及焊接或压缩结合到配合表面上的能力。关于组成，密封环包括金属陶瓷，金属陶瓷限定可焊接的第一部分与可焊接的第二部分的边界。金属陶瓷是由陶瓷与金属材料构成的复合材料。金属陶瓷的性质取决于如下因素：陶瓷和金属的个别性质，金属陶瓷组合物中陶瓷与金属的量和关系以及其它因素。
金属陶瓷的陶瓷材料可包括氧化铝、硅石、氧化钇和氧化镱中的一种或多种。合适氧化铝可呈单晶蓝宝石或微晶多晶氧化铝(μPCA)的形式。该硅石可呈石榴石的形式。其它合适的材料混合物或形式可包括尖晶石、钇铝石榴石、镱铝石榴石。在一实施例中，金属陶瓷的陶瓷材料基本上仅由微晶多晶氧化铝(μPCA)、钇铝石榴石或镱铝石榴石中的一种组成。在一实施例中，陶瓷材料基本上由氧化铝组成。
合适的金属陶瓷可包括安置于限定部分或区域中的耐火金属。合适耐火金属可包括允许焊接的那些金属。合适耐火金属的实例可包括钼、铼、钽或钨中的一种或多种。在一实施例中，金属陶瓷可包括钼、铼、钽或钨中的仅一种。在一实施例中，金属陶瓷可包括选自钼、铼、钽或钨的耐火金属中的两种。金属陶瓷可包括基本上由钨组成的耐火金属。金属陶瓷可包括基本上由钼组成的耐火金属。
在可焊接的第一部分与可焊接的第二部分中的金属陶瓷的可焊性能可至少部分地取决于所存在的耐火金属的类型和量。在金属陶瓷中的耐火金属的比例可小于大约80％体积。在一实施例中，在金属陶瓷中耐火金属的比例可在大约100％体积至大约50％体积，从大约50％体积至大约45％体积，从大约45％体积至大约35％体积，从大约35％体积至大约30％体积，从大约30％体积至大约25％体积，从大约25％体积至大约20％体积，从大约20％体积至大约15％体积，从大约15％体积至大约10％体积，从大约10％体积至大约5％体积，或者从大约5％体积至大约1％体积。在一实施例中，在金属陶瓷中的耐火金属的比例可小于大约1％体积。
视情况，可焊接的第一部分和/或可焊接的第二部分可各包括单向功能梯度金属陶瓷(unidirectional functionally graded cermet)。功能梯度金属陶瓷是陶瓷与金属的复合物，其中金属与陶瓷的比例随着在一个方向上的距离而变化。对金属与陶瓷的比例或比率的控制提供对功能梯度金属陶瓷的性质的控制。这些性质包括下列性质中的一种或多种：热膨胀系数(CTE)、泊松比、弹性模数、抗裂性、抗冲击性、导电性、氧化、浮渣、熔渣、热稳定性、耐化学性、熔融温度、可焊性和类似性质。另外，在一实施例中，可焊接的第一部分和/或可焊接的第二部分可各包括双向功能梯度金属陶瓷。在此实施例中，陶瓷与金属的比例或比率随着在两个方向上的距离而改变。比例或比率随距离的变化可在该距离上是连续的和均匀的，可在该距离上连续且加速或减速，或者可为阶跃函数，其具有基本上不变比例或比率的离散区段。
可选择用于可焊接的第一部分与可焊接的第二部分的金属陶瓷的组成以最小化或消除热应力。热应力可由于该装置的不同构件之间的热膨胀系数失配造成。在可焊接部分中耐火金属的更高的比例可相对容易地焊接到其它金属构件或部件上。
在一实施例中，可焊接部分或区域包括钢。不锈钢或耐腐蚀钢是具有相对较高的耐腐蚀性的基于铁的合金的一族。这些钢不会生锈且抵抗许多液体、气体和化学品的攻击。许多不锈钢具有良好的低温韧性和延展性。它们中的大部分具有良好的强度性质且抵抗在高温生成氧化皮(scaling)。所有不锈钢包含铁作为主要元素和在大约11％至大约30％的量的铬。铬向不锈钢提供基本耐腐蚀性。在一实施例中，可焊接部分或区域包括镍且可基本上由镍组成。
用于可焊接部分的金属的选择可包括参考配合焊接表面。在一实施例中，配合焊接表面是铬-镍不锈钢。虽然设想到其它配合焊接表面，但此处讨论不锈钢作为金属选择考虑的实例。在一实施例中，可控制在焊接结构中的铁和镍含量以影响导热性和导电性。铬-镍钢属于AISI/SAE 300系列不锈钢，其可参考以上指出的标准来选择。不锈钢配合表面可为非磁性的且具有受控制的晶粒大小、晶粒方位，或者微结构，诸如奥氏体或马氏体微结构。可形成可焊接的部分或可焊接的区域以匹配其所焊接的相对应的配合表面的性质、组成和特征。
可向某些可焊接部分添加锰。可由锰来替换镍，可能以二比一的关系。关于外壳，AISI/SAE 200系列不锈钢是铬-镍-锰系列，且这些钢具有奥氏体微结构且它们是非磁性的。钼可包括在可焊接的部分中。钼可改进高温的耐蠕变性，且可增加耐点蚀和腐蚀性。
可焊接的第一部分可接触能量储存装置的第一极且可焊接的第二部分可接触能量储存装置的第二极。极是装置的电极。能量储存装置的第一极可为正极且第二极可为负极。
电绝缘的第三部分电隔离可焊接的第一部分与可焊接的第二部分。第三部分可物理地分隔阳极材料与阴极材料。第三部分可包括电绝缘材料或由电绝缘材料形成。用于电绝缘材料的合适材料可包括氧化铝。第三部分或区域中材料的介电强度大于阳极材料与阴极材料之间的电压或电流电位差。如果使用更低介电常数材料，那么可选择第三区域的宽度更大(且可用相反配置)。在一实施例中，第三区域或部分具有在表1中所列出的组成和性质。
表1-第三区域性质
  性质   测量单位   值
  密度   gm/cc   3.89
  孔隙度   ％   0
  抗弯强度   MPa(lb/in2x103)   379
  弹性模数   GPa(lb/in2x106)   375
  剪切模数   GPa(lb/in2x106)   152
  体积模数   GPa(lb/in2x106)   228
  泊松比   -   0.22
  压缩强度   MPa(lb/in2x103)   2600
  硬度   Kg/mm2   1440
  断裂韧性KIC   MPa·m1/2   4
  最高使用温度(无负载)   ℃   1750
  导热性   W/m°K   35
  热膨胀系数   10-6/℃   8.4
  比热   J/Kg·°K   880
  介电强度   ac-kv/mm   16.9
  介电常数   1MHz   9.8
  耗散因数   1kHz   0.0002
  损耗正切   1kHz   -
  体积电阻率   ohm·cm   ＞1014
在一实施例中，该装置的密封环可包括第四部分。第四部分可固定到离子传导分隔件上。第四部分可由选择成热膨胀系数与离子传导分隔件的热膨胀系数相匹配的材料形成。第四部分可包括改性氧化铝。由于改性氧化铝第四部分的热膨胀系数可匹配离子传导氧化铝分隔件的热膨胀系数，所以密封环的第四部分可保护该密封环以及离子传导氧化铝分隔件防止热应力引起的开裂。
在该密封环内的可焊接的第一部分、可焊接的第二部分、电绝缘的第三部分和可选的第四部分可相对于彼此定向或定位以最小化在密封环操作与加热期间的热应力。第四部分可与可焊接的第二部分并置到第三部分的相对侧上。
参看图1，能量储存装置100包括外壳102。外壳为圆柱形且具有朝向外的表面104和朝向内的表面(或“内表面”)106。外壳内表面限定装置体积108。外壳具有可密封的第一端110。外壳第一端具有外围边缘(未提供附图标记)，外围边缘限定外壳中的开口或孔口112。插入构件系统114可安置于外壳孔口中且能密封外壳孔口。插入构件系统包括帽120、集流器122和密封环124。
帽与集流器相互作用以允许集流器与能量储存装置外部的电耦合。帽以诸如下文更详细地讨论的方式固定到密封环上。集流器延伸到外壳体积内。电绝缘且离子传导分隔件管130在外壳体积内限定两个电隔离室，阳极室132和阴极室134，其以如图所示的图示实施例中布置。更特定而言，分隔件具有朝向内的表面140和朝向外的表面142，朝向内的表面140限定阴极室，朝向外的表面142限定阳极室。集流器因此延伸到外壳体积内的阴极室内。
在图示实施例中，密封环是圆环且具有内表面150，内表面150限定密封环孔口152，集流器穿过密封环孔口152延伸。外壳焊接结构154将密封环靠近外壳第一端固定到外壳内表面上。帽焊接结构156将密封环固定到帽上。
密封环是整体结构，其具有多个可在组成上和/或功能上限定的区域。参看图1所示的密封环，存在三个区域。电绝缘区域160延伸穿过密封环主体以电隔离第一可焊接区域162与第二可焊接区域164。虽然在区域之间的限定线在图示实施例中表现为阶跃函数变化，但在某些其它实施例中，过度子区域可插于区域界面之间，其中组成比率或梯度随着位置或距离而改变。第一可焊接区域经由外壳焊接结构固定到外壳内表面上。第二可焊接区域经由帽焊接结构固定到帽上。阴极材料可通过孔口(未图示)添加。
在第一可焊接区域与第二可焊接区域中的金属含量在量与类型方面彼此不同。应当指出的是在其它实施例中，金属类型或量之一或二者可相同。在此情形下外壳是不锈钢，且第一可焊接部分包括匹配外壳的组成和性质的金属。在此情形中，帽在镍合金中多数为镍。第二可焊接部分包括匹配帽和插入构件系统的组成和性质的金属。
分隔件密封结构170将密封环固定到分隔件上。在此实施例中，分隔件密封结构是玻璃材料。另外，虽然具体地涉及图示实施例，但分隔件密封结构在第二可焊接的区域和电绝缘区域的部分上接触且固定到密封环。在此配置中，选择玻璃材料在操作环境中电绝缘且耐化学性。在材料选择中可考虑其它原因，诸如玻璃转移温度和热膨胀系数。
关于将可焊接部分焊接到匹配表面，取决于过程规范可使用电弧焊，摩擦焊接、激光或定向能量焊接、超声焊接和气焊接。对于电弧焊而言，焊接粉末供应形成并维持电极与基础材料之间的电弧以便以熔融在焊点或焊线的目标材料。电弧焊机可使用直流(DC)或交流(AC)，和可消耗或不可消耗电极。在某些实施例中可存在焊剂。被称作屏蔽气体的惰性或半惰性气体的掩盖层可保护焊接区，且可使用填料材料。电子束焊接(EBW)是熔焊过程，其中高速电子束施加到要接合的材料上。由于电子的动能在冲击时转换成热而使工件熔融，且填料金属(若使用)也熔融以形成焊接部分。焊接可在真空下进行以防止电子束分散。
在一实施例中，可焊接的部分可进行热压缩结合，其为金属陶瓷与金属的密封，涉及所用材料的热膨胀速率的失配。在冷却阶段期间，在烧制过程之后，外部部件与陶瓷形成扩散结合。所形成的压缩力导致气密性。
实例
除非另外规定，成份可在市场上购自普通化学供应商，诸如Aldrich Chemical Company(Milwaukee，Wisconsin)。
实例1形成密封环
圆柱形压制型模填充由聚乙烯有机粘合剂制成的金属陶瓷(氧化铝、耐火金属)粒子的悬浮液。活塞压制并形成高温悬浮液以形成第一生坯部分(green portion)，第一生坯部分最终将形成第一可焊接部分。施加40ksi压力的单轴按压。在抽出活塞之后，将第二悬浮液填充到该形模内以接触第一生坯部分。第二悬浮液包括电绝缘氧化铝粉末和PVC粘合剂。活塞压制并加热中间组分以形成第二生坯部分。在抽出活塞之后，将第三金属陶瓷悬浮液(具有粘合剂和耐火金属粉末)填充到该形模内以接触第二生坯部分。第一悬浮液和第三悬浮液的金属含量足以允许在制造之后进行焊接。特定而言，第一悬浮液相对于氧化铝具有按重量计大约50％的金属，且第二悬浮液具有按重量计大约60％的金属。悬浮液材料相对于彼此的放置是基于终端密封环的结构要求来选择。在此情形下，第三悬浮液并不接触第一生坯部分。活塞压制高温的第三悬浮液。
从模具移除压实的金属陶瓷生坯结构。压实的金属陶瓷生坯结构在1200摄氏度预烧。根据需要，执行后压机机械加工。预烧的密封环在氢气中在大约1800摄氏度的温度烧结。比较而言，重复该实验，但烧结的密封环还在2000摄氏度热等压压制以产生完全致密的主体。
实例2-密封能量储存装置
如在实例1中公开的那样形成密封环。密封环经由玻璃密封而固定到分隔件上以形成密封环组件。密封环组件安置于能量储存装置外壳中。带有集流器的帽插入于密封环孔口内使得集流器接触在分隔件内的阴极填充材料。或者，带有集流器的环或桥接件插入于密封环孔口内。在单个基本上连续的过程中，密封环的第一可焊接部分和第二可焊接部分分别焊接到外壳内表面上和焊接到帽上。阴极材料可通过桥接件中的孔口(未图示)添加。然后将帽焊接到桥接件上。可焊接部分流动并与其相应配合表面密封以形成气密焊接结构。
实例3-密封能量储存装置
如在实例1中公开的那样形成密封环。使用电弧焊接过程将密封环焊接到罐的内表面上。特别地，使用钨惰性气体(TIG)焊接过程。阴极材料填充到分隔件内部体积内。帽放置于密封环孔口上以接触密封环的另一可焊接部分。使用TIG过程或等离子体电弧焊方法(PAW)将帽焊接到密封环上。在此实例中所产生的能量储存装置允许预先生产外壳、密封环和分隔件子构件。应当指出的是为了清楚起见，省略了能量储存装置的其它较小构件。这些构件可包括用于分隔件的支承垫片，用于阳极材料的芯和类似物。这些列出的构件可安置于阳极腔室中，诸如此实例中的预先生产的方案可允许增加的生产率和/或对这些预先包装的构件的增加的保护。
本文所述的实施例是具有与权利要求中所陈述的本发明的元件相对应的元件的物品、系统和方法的实例。本书面描述可使得本领域普通技术人员可做出和使用具有同样对应于权利要求中所陈述的本发明的元件的替代元件的实施例。本发明的范围因此包括并非不同于权利要求的字面语言的物品、系统和方法，且还包括与权利要求的字面语言并无实质不同的其它物品、系统和方法。虽然仅在本文中说明和描述了某些特点和实施例，但本领域普通技术人员可想到许多修改和变化。所附权利要求涵盖所有这些修改和变化。

Claims (12)

1.一种能量储存装置，包括：
密封环，所述密封环具有可焊接的第一部分与可焊接的第二部分，所述可焊接的第一部分与可焊接的第二部分能够通过电绝缘的第三部分而彼此电隔离，
其中，所述可焊接的第一部分接触所述能量储存装置的第一极，并且所述可焊接的第二部分接触所述能量储存装置的第二极，
其中，所述可焊接的第一部分和所述可焊接的第二部分中的至少一个包括金属陶瓷。
2.根据权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，所述金属陶瓷包括选自氧化铝、硅石、氧化钇和氧化镱的陶瓷材料。
3.根据权利要求2所述的能量储存装置，其特征在于，所述可焊接的第一部分与所述可焊接的第二部分中的至少一个基本上由基于氧化铝的金属陶瓷组成，所述基于氧化铝的金属陶瓷具有足以焊接的金属含量。
4.根据权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，所述金属陶瓷包括至少一种耐火金属。
5.根据权利要求4所述的能量储存装置，其特征在于，所述耐火金属包括钼、铼、钽或钨中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的能量储存装置，其特征在于，所述可焊接的第一部分和所述可焊接的第二部分中的至少一个包括镍、铁或铬中的至少一种。
7.根据权利要求4所述的能量储存装置，其特征在于，在金属陶瓷材料中的耐火金属的量在5%体积至50%体积的范围内。
8.根据权利要求4所述的能量储存装置，其特征在于，在金属陶瓷材料中的耐火金属的量在51%体积至100%体积的范围内。
9.根据权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，所述电绝缘的第三部分包括氧化铝，所述氧化铝具有在1兆赫时大于9的介电强度。
10.根据权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于，所述密封环还包括第四部分，所述第四部分是热膨胀系数在β"氧化铝的热膨胀系数的10%内的基于氧化铝的材料。
11.根据权利要求10所述的能量储存装置，其特征在于还包括分隔件，且所述密封环的第四部分固定到所述分隔件上，且在所述密封环内的所述可焊接的第一部分、所述可焊接的第二部分、所述电绝缘的第三部分和所述第四部分相对于彼此定向或定位以最小化在所述密封环的操作与加热期间的热应力。
12.根据权利要求1所述的能量储存装置，其特征在于还包括固定到所述第一部分上的第一焊接结构和固定到所述密封环的第二部分上的第二焊接结构。
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