CN102610867B - 一种封闭式结构的钠硫电池 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种封闭式结构的钠硫电池，结构简单、易于装配、经济实用，提高了电池的安全性、可靠性，而且提高了电池充放电电流密度及电池使用寿命，极具实用价值。其技术方案为：钠硫电池包括电池壳体、正极层、电解质管、过渡层、安全闸口、安全内芯、负极区，其中电解质管位于正极层和负极区之间，安全闸口位于安全内芯的两侧，过渡层穿过安全闸口并置于安全内芯外壁，以覆盖安全闸口以下的安全内芯的外侧。
Description
技术领域
本发明涉及一种化学电源技术，尤其涉及一种采用以封闭式结构作为安全理念的钠硫电池。
背景技术
钠硫电池是以β(β″)-Al2O3陶瓷为电解质和隔膜，硫及金属钠为正负极，室温下呈全固态的二次电池。正常工作温度在300～350℃之间，钠和硫处于熔融状态，其理论比能量高达760Wh/kg，且无自放电现象，库伦效率几乎可达100％。
在80年代末和90年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用，并越来越显示其优越性，如日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平(即起削峰平谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出来)、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，已建成世界上最大规模(34MW)的储能钠硫电池装置，截止2005年10月统计，年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。
目前大容量钠硫电池装配制备过程中，钠大多直接储存在电解质管内，或采用无安全闸口设计的内芯内，陶瓷管内侧活性物质钠存量较多，万一陶瓷管破裂，正负极快速反应，放出大量能量，导致电池泄漏甚至爆炸等安全事故的发生。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种封闭式结构的钠硫电池，结构简单、易于装配、经济实用，提高了电池的安全性、可靠性，而且提高了电池充放电电流密度及电池使用寿命，极具实用价值。
本发明的技术方案为：本发明揭示了一种封闭式结构的钠硫电池，包括电池壳体、正极层、电解质管、过渡层、安全闸口、安全内芯、负极区，其中电解质管位于正极层和负极区之间，安全闸口位于安全内芯的两侧，过渡层穿过安全闸口并置于安全内芯外壁，以覆盖安全闸口以下的安全内芯的外侧。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，电解质管用以隔离正负极反应物。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，电解质管是β(β″)-Al2O3固体电解质管。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，电池壳体是金属材质，包括不锈钢材质、铝合金材质。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，正极层以硫为主体，以碳毡或者石墨毡为辅助。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，过渡层的间隙是0.1～2mm。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，安全闸口距离安全内芯底部为0～0.8L处，其中L是电池壳体的高度。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，安全内芯是金属材质，包括不锈钢材质、铝合金材质，其高度和电池壳体的高度相同。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，负极区内包含活性物质，活性物质是金属钠。
根据本发明的封闭式结构的钠硫电池的一实施例，电池壳体的高度为10～700mm。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的钠硫电池包括电池壳体、正极、电解质管，以及包含过渡层、安全闸口、安全内芯、钠极区的钠芯安全结构设计。陶瓷管内侧活性物质钠通过限流作用至安全闸口，然后至芯管内，以减少陶瓷管内壁与安全内芯外壁之间的存钠量，从而抑制因陶瓷管破裂引起的液态钠硫之间的剧烈反应。本发明的电池壳体与安全内芯的材质为不锈钢、铝合金或其他金属材质，安全闸口位于安全内芯两侧，距离安全内芯底部0L～0.8L(L是电池壳体的高度)。正极采用碳毡或者石墨毡提高导电性。电解质管是β(β″)-Al2O3固态离子导电材料，只导通钠离子。
本发明采用的钠芯安全结构设计优点在于：提高电池的安全性及可靠性，并且结构简单、易于装配、经济实用，不仅提高了电池的安全性、可靠性，而且提高了电池充放电电流密度及电池使用寿命，极具实用价值。
附图说明
图1示例性的示出了本发明的封闭式结构的钠硫电池的剖面结构示意图。
图2示出了本发明的封闭式结构的钠硫电池的内部短路电池温度变化情况的示意图。
图3示出了本发明的封闭式结构的钠硫电池在不同充放电电流密度下放电深度与放电电压变化情况的示意图。
图4示出了本发明的封闭式结构的钠硫电池的循环寿命测试情况的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1的结构示意图是钠硫单体电池壳体中间区域的轴向剖视图。其电池体头部及底部未加以标示。本实施例的封闭式结构的钠硫电池包括电池壳体1、正极层2、电解质管3，过渡层4、安全闸口5、安全内芯6、负极区7。整个电池密封设计。所述电解质管3位于正极层2与负极区7之间，隔离正负极反应物。电解质管3较佳的是β(β″)-Al2O3固体电解质管。钠芯安全结构设计先将过渡层4穿过安全闸口5，覆盖安全闸口5以下的安全内芯6外侧。安全闸口5距离安全内芯6的底部为0L～0.8L处，其中L表示电池壳体1的高度，一般可设置为10～700mm。过渡层4控制在0.1-2mm的厚度，置于安全内芯6外壁。将制备完毕的钠芯安全结构置于电解质管3内壁。然后在保护气氛中完成负极制备，真空气氛中完成正极制备。至此电池装配完成。
过渡层4、安全闸口5、安全内芯6、负极区7(也可称为钠极区)组成钠芯安全结构设计。钠芯安全结构是将陶瓷管内侧活性物质钠通过限流过渡层4至安全闸口5，然后至芯管内，以增加电极在电解质表面反应面积、减少陶瓷管内存钠量，抑制因陶瓷管破裂引起的液态钠硫之间的剧烈反应，提高电池的安全性及可靠性。本发明结构简单、易于装配、经济实用，提高了电池的安全性、可靠性，而且提高了电池充放电电流密度及电池使用寿命，极具实用价值。
电池壳体1是金属材质，例如是不锈钢材质、铝合金材质或其他金属材质。安全内芯6的材质是金属材质，例如是不锈钢材质、铝合金材质或其他金属材质，其高度也和电池壳体1的高度L相等。正极层2是以硫为主体，为了提高导电性，一般采用具有良好导电性的碳毡或者石墨毡作为辅助。负极区7内包含例如是金属钠的活性物质。
为了验证该结构电池的安全、可靠性及电池可耐大电流放电及电池使用寿命情况，特别做了三项试验。图2为电池内部短路电池温度变化情况；图3为电池在不同充放电电流密度下放电深度与放电电压变化情况；图4为电池循环寿命测试情况。
由图2可知，本实施例的钠硫电池进行内部短路时，电池温度变化只有100～200℃，不会引起电池着火、爆炸、泄漏，保证了钠硫电池的安全可靠性。
如图3所示，本实施例的钠硫电池可以以电流密度在60～260mA/cm2的电流放电。可以承受大电流放电冲击。
如图4所示，本实施例的钠硫电池的循环寿命测试情况，可以看出经过500次循环后，钠硫电池衰减只有1.5％，代表本电池稳定可靠，极具实用价值。
综合以上所述，本电池结构简单、易于装配、经济实用，提高了电池的安全性、可靠性，而且提高了电池充放电电流密度及电池使用寿命，极具实用价值。
上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现和使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的发明范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书所提到的创新性特征的最大范围。
Claims (9)
1.一种封闭式结构的钠硫电池，包括电池壳体（1）、正极层（2）、电解质管（3）、过渡层（4）、安全闸口（5）、安全内芯（6）、负极区（7），其中电解质管（3）位于正极层（2）和负极区（7）之间，安全闸口（5）位于安全内芯（6）的两侧，过渡层（4）穿过安全闸口（5）并置于安全内芯（6）外壁，以覆盖安全闸口（5）以下的安全内芯（6）的外侧，其中过渡层（4）的厚度是0.1～2mm。
2.根据权利要求1所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，电解质管（3）用以隔离正负极反应物。
3.根据权利要求1所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，电解质管（3）是β（β〞）-Al2O3固体电解质管。
4.根据权利要求1所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，电池壳体（1）是金属材质。
5.根据权利要求1所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，正极层（2）以硫为主体，以碳毡或者石墨毡为辅助。
6.根据权利要求1所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，安全闸口（5）距离安全内芯（6）底部为0.8L处，其中L是电池壳体（1）的高度。
7.根据权利要求1所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，安全内芯（6）是金属材质，其高度和电池壳体（1）的高度相同。
8.根据权利要求1所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，负极区（7）内包含活性物质，活性物质是金属钠。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的封闭式结构的钠硫电池，其特征在于，电池壳体（1）的高度为10～700mm。
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