CN103094585B - 电化学电池 - Google Patents

Abstract

本申请介绍了一种电化学电池。该电池包括由金属材料形成的外壳。一种组件置于所述电池的负极室中，所述负极室含有碱金属。所述组件包括牺牲金属，所述牺牲金属的氧化电位小于所述外壳材料的氧化电位。本申请也提供一种包含这种电化学电池的能量存储装置。

Description

电化学电池

技术领域

本发明总地涉及一种电化学电池，在一些具体的实施方式中，涉及高温，可再充电的电化学电池，以及相关的设备。

背景技术

电池组是在移动系统和固定应用中存储一部分能量的重要组件，所述移动系统例如电动车辆，混合电动车和其它类型的车辆和非车辆(例如，火车头，越野公路的采矿车(off-highwayminingvehicles)，航海应用，公共汽车和汽车)，和所述固定应用例如不间断电源(UPS)系统和“Telecom”(电信系统)。高温钠-金属卤化物电化学电池通常以用于以下应用中为目的：火车头；电信，和不间断电源(UPS)电池组。这些电池可能给许多这些应用提供高的能量密度，高功率密度，较长的电池寿命，和较低的成本需要。

通常，电池组由许多电池构成。对这些电池组的目前开发集中于性能和电池寿命。许多因素会影响性能，和限制电池寿命。主要因素可以是隔板的不可靠性。用于这些电池中最通常的隔板是β”-氧化铝固体电解质(BASE)，其是传导钠的陶瓷。

应该指出，在使用过程中电池中的热循环，压差，钠-芯吸作用(sodium-wicking)，和震动在一些情况下会损害隔板。受损的隔板可能导致包装壳(例如钢制包装壳)的电化学腐蚀，和电池中大的热偏移。通常，当隔板破裂时，形成金属性短路，使得电池组使用失效的电池进行操作。但是，在一些情况下，高温条件，结合腐蚀的电池包装壳，可能容许电池的化学组件破坏包装壳，这会使整个电池组短路。

已经在不同的电池组设计上进行了开发工作来避免和/或解决腐蚀问题。避免电池腐蚀的一种方式是提供电池的芯和包装壳之间的有效的热和电传导性。但是，可能显著地限制目前的设计来有效地发挥这些功能。同样地，目前可获得的设计不适合于显著减少或者防止外壳的腐蚀。

因此期望开发一种对于各种电池组应用具有改善的热管理和改善的可靠性的新型电池设计。

发明内容

本发明的一些实施方式提供电化学电池。该电池包括含有金属材料的外壳。组件置于含有碱金属的电池的负极室中。该组件包括牺牲金属，所述牺牲金属的氧化电位小于所述外壳材料的氧化电位。

根据本发明的一些实施方式，所述电池包括置于外壳界定的体积中的传导离子的管状隔板。所述外壳包括铁。该电池的负极室含有碱金属。垫片结构置于该负极室中，通常平行于所述隔板的负极表面。所述垫片结构包括锌。

本发明的一些实施方式中提供能量存储装置。该装置常常包括多个电化学电池，其中所述电池是彼此热和点导通的。

附图说明

当参考附图阅读以下具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面、以及优点将会变得更易理解，在附图中相同的符号在整个附图中表示相同的部件，其中：

图1是根据本发明的实施方式的电化学电池的示意图；

图2是根据本发明的另一实施方式的电化学电池的示意图；

图3是根据本发明的又一实施方式的电化学电池的示意图；

图4是根据本发明的实施方式的电化学电池的示意性三维视图；

图5是根据本发明的实施方式的电化学电池的横截面俯视图；

图6是根据本发明的实施方式的电化学电池的透视三维视图；

图7是根据本发明的实施方式的电化学电池的透视三维视图；

图8是显示根据本发明的示例性实施方式的电化学电池的放电曲线的图。

具体实施方式

如在本申请中整个说明书和权利要求中所用的，可使用近似语言修饰任何量的表示，其能够容许变化而不导致它涉及的基本功能的变化。因此，受术语例如“约”修饰的值不限于所指出的精确值。在一些情况下，近似语言可对应于测量该值的仪器的精度。

在以下的说明书和权利要求中，单数形式“一种(a)”，“一个(an)”和“所述(the)”包括复数指示物，否则上下文会清楚地另外指出。

本申请所用的术语“可”和“可为”表示在一组环境下发生的可能性；具有指定的性质，特征或者功能的可能性；和/或通过显示一个或者多个能力、性能而适合于另一种动作，或者与该适合的动作相关的可能性。因此，用于“可”和“可为”表示修饰的术语显然适合、能够或者适于所表示的能力，功能，或者用途，同时考虑在一些情况下，所修饰的术语可能有时不适合、不能或者不合适。例如，在一些情况下，事件或者能力可能是所期望的，而在其它情况下，该事件或者能力不能发生。这种区别通过术语“可”和“可为”涵盖。

本申请所用的术语“负极材料”是指在充电的过程中接受电子的材料，并且以氧化还原反应的一部分存在。术语“正极材料”是指在充电的过程中提供电子的材料，并且也以氧化还原反应的一部分存在。所述正极材料作为参加电化学反应的反应物存在，以它的氧化态或者还原态存在，或者在完全氧化和还原之间的一些状态。本申请所用的电解质是在电池的正极和负极之间提供离子传导机制的介质，并且可以用作氧化形式的电极材料的溶剂。有助于离子传导机理但是本身不提供该机理的添加剂与电解质本身不同。

本申请所用的术语“高温”通常是指高于约250摄氏度(℃)的温度，否则会另外指出。

图1说明根据本发明的一种实施方式的电化学电池10的示意图。电化学电池10包括具有界定体积的内表面14的外壳12；并且具有基底16。外壳12也可称为“包装壳”。在一种实施方式中，外壳12可具有圆形的或椭圆形的横截面。在另一实施方式中，外壳12可具有多边形的横截面，并且可具有多个角区域。在这些情况下，电化学电池10的外壳12可具有方形的横截面，并且具有四个角区域。关于材料，外壳12通常由金属材料制成。合适的金属材料可包括镍，铁，或钼。具体的实例可为软钢，不锈钢，镀镍的钢，和镀钼的钢。

电化学电池10包括置于外壳12的体积中的隔板18。隔板18通常是传导离子的固体电解质。用于隔板的合适材料包括β’-氧化铝，β″-氧化铝，β’-镓酸盐，β″-镓酸盐，或沸石。在具体的实施方式中，隔板18包括β″-氧化铝固体电解质(BASE)。

隔板18可具有特征选择性离子传导性(selectedionicconductivity)。隔板18的电阻(即，穿过它的厚度)可部分取决于隔板壁本身的厚度。合适的厚度可为小于约5毫米。在一种实施方式中，隔板壁的厚度可为约0.5毫米至约5毫米。在某些优选的实施方式中，厚度可为约1毫米至约2毫米。

在所说明的实施方式中，隔板18可为圆柱形的，细长的，管状的，或杯状的，对于圆柱形的或管状的电池来说具有封闭端部20和开放端部22。在一种实施方式中，所述隔板可为基本上平面的；而相应的电池可为平面状电化学电池。再次参考图1，隔板18的开放端部22可为可密封的，并且可为隔板组件的一部分，其界定用于在制造过程中用材料填充隔板18的孔隙24。在一种情况下，孔隙24可用于添加正极材料。隔板18的封闭端部20可为预密封的，从而增加电池整体性和坚固性。

隔板18可具有横截面轮廓，该横截面轮廓可为例如圆形的，卵形的或椭圆形的，多边形的，十字形的，或星形的。在一些具体的实施方式中，隔板18的横截面轮廓可为有褶皱的形状(描述于以下的实施方式中)。褶皱形状通常包括交替方式的多个凸起部分(lobeportions)和凹谷(下陷)部分(也成为“凸起”和“凹谷”)。一对凸起部分可界定所述的凹谷部分。可以提供苜蓿叶形状的褶皱可对于给定的体积增加隔板19的总有效表面积。隔板18可同心环形地位于外壳12中。可以使隔板的凸起部分的数量对应于外壳12的多个外围隔开的角的数目。

继续参考图1，外壳12通常是界定外壳12的内表面14和隔板18的负极表面26之间的负极室28的容器。隔板18还具有正极表面30，正极表面30界定正极室32的一部分。在这些情况下，正极室32位于负极室28内。此外，负极室28通过传导离子的隔板18与正极室32离子连通。负极室28和正极室32还包括集流体(未示出)，从而收集通过该电化学电池产生的电流。任选地，外壳12(或者包装壳)可用作负极集流体。

在一种实施方式中，负极室28含有负极材料41；而正极室32含有正极材料42。通常，负极材料41包括碱金属。在负极室28和正极室32之间，碱金属离子被传递通过隔板18。负极室28可接收和存储负极材料41的贮存器。负极材料的非限制性实例可包括锂，钠，或钾。负极材料41通常在使用的过程中熔化。在一种实施方式中，负极材料41是钠。

在一些实施方式中，负极材料41可包括一种或者多种添加剂。一种实例是金属氧清除剂。金属氧清除剂的实例可包括以下的一种或者多种：锰，钒，锆，铝，镍，钽，或钛。其它有用的添加剂可包括材料例如氨基钠，其通过熔化的负极材料增加隔板表面的润湿。存在添加剂的量通常不大于约1体积％(对于每种添加剂)。

正极材料42可以以元素或以盐的形式存在，取决于具体的电化学装置的充电状态(即，在材料存在的形式的比方面)。正极材料可含有金属，而盐形式的正极材料可为卤化物。用作正极材料的合适的金属可包括铝，镍，锌，铜，铬，锡，砷，钨，钼，铁，及其各种组合。金属的卤化物可为氯化物、氟化物、溴化物、碘化物或其组合。

正极材料42可为自支撑的或者液体/熔融的。在一种实施方式中，正极材料置于导电的支撑结构上。在充电/放电的过程中，该支撑结构不进行任何化学反应，但是的确在化学反应的过程中支撑该正极材料。该支撑结构可为许多形式，例如泡沫体，网状物，织物，毡垫，或多个填充的粒子，纤维，或须状物。在一种实施方式中，合适的支撑结构可由碳形成。示例性的碳形式是网状的泡沫体。支撑结构也可由金属形成。正极材料固定于支撑结构的外表面。在一些情况下，支撑结构可具有较高的表面积，例如，至少约0.3平方米每立方厘米。

可将含硫或者磷的添加剂置于正极材料中。可将例如，元素硫，硫化钠或者三苯基硫化物置于正极中。在正极中存在这些添加剂可降低或者防止盐再结晶，和晶粒生长。

正极室32常常包括熔融电解质(未示出)，通常与正极材料42一起熔化。熔融的电解质将离子从固体隔板18传递至正极材料，并且反之亦然。在一种实施方式中，熔融的电解质包括含有碱金属卤化物和铝卤化物的二元电解质。碱金属卤化物包括在电池10中用作负极材料的碱金属(如上所述)。在具体的实施方式中，熔融的电解质是四氯铝酸钠(NaAlCl₄)。在一些实施方式中，所述熔融的电解质可包括另外的金属卤化物，并形成三元或四元电解质。

所述熔融的电解质的熔点和温度依赖性、所述固体隔板的离子传导性是确定电池的最小操作温度的主要因素。所述熔融的电解质NaAlCl₄的熔点可为约150摄氏度。在一些情况下，电池的最优性能通常在大于约250摄氏度的温度获得。在一种实施方式中，操作温度可为约270摄氏度至约350摄氏度。

在一些实施方式中(但是不是所有的实施方式)，负极室28还可包括与隔板18的负极表面26相邻设置的一个或多个垫片-结构34，如图1中所示。单个垫片-结构，或多个垫片-结构，通常可包在隔板18周围。如2009年1月9日提交的美国专利申请公开U.S.2010/0178546A1；和2011年6月30日提交的专利申请13/173320中所述，垫片-结构可含有单个垫片或者多个垫片。

本申请所用的术语“垫片”是指薄片的材料，其用于填充缝隙，使一些东西平齐，支持一些东西，或调节一些东西从而使得更好地安装。特别是，术语“垫片”常常是指用于覆盖隔板的表面的覆层。用于所述垫片-结构的合适的垫片可由金属片材，金属箔等形成。各个垫片的厚度通常可为约0.01毫米至约1毫米。所述多个垫片可以以它们的细长的表面，通常(但不是总是)彼此平行地排布。垫片可完全彼此叠置。具有两个以此方式排布的垫片的垫片-结构也可称为“双垫片-结构”。本申请所用的术语“垫片-结构”可用于表示单垫片-结构和多垫片-结构。

这些垫片-结构/结构34可具有几个功能，例如提供用于电池中电传导和热传导的结构，和提供提高的负极材料41的传递性和利用。在一些具体的实施方式中，所述垫片结构34收集负极室中的电流，用作集流体。

可选择垫片的材料从而使得它可以是热和电传导性的，并且同时可为在负极环境下化学和电化学惰性的。该材料可包括单种金属、含金属的复合物、或合金。在一种实施方式中，所述垫片可包括金属或者用金属层覆盖于一个或者两个侧面上的非金属基板。通常，该垫片包括铁，镍，铝或其合金。另外，所述垫片-结构的每个垫片可由相同的材料或者不同的材料形成。

在一种实施方式中，隔板18(例如，在图1中)具有所选择的长度(或高度)，而垫片-结构34可延伸至隔板18的整个长度。在其它实施方式中，垫片-结构34可延伸至隔板18的仅一部分长度。在一种实施方式中，每个垫片可在整个垫片上具有均匀的厚度。在另一实施方式中，所述垫片的厚度可沿垫片的高度逐步变化。具体地，所述垫片可在一些情况下在接近电池的底部的边缘处较厚，而在电池的顶部，在相对的边缘处较薄。

垫片-结构34可紧密邻近于隔板18的负极表面26处安装。此外，垫片-结构34可成形为与隔板的全部负极表面或者一部分负极表面相一致。在一种实施方式中，垫片-结构34可进一步成形从而使得该结构的一个或者多个位置与该外壳接触。垫片-结构34通常以这样的方式设计，该方式使得垫片足够柔软从而容许在垫片-结构34和隔板的负极表面26之间沉积和传递金属性负极材料(例如，钠)。在一种实施方式中，可将多个垫片-结构结合从而覆盖隔板的大部分表面，从这里可以收集离子电流。较少的单独垫片结构在一些情况下是优选的，这是因为增加的简单性和较低的成本。如果有多于一个垫片结构，那么该结构可为联锁的或者部分重叠的。在一种实施方式中，所述垫片-结构可物理连接至外壳，或可形成外壳的一部分。可使用其它的片在所述结构和电池组外壳之间形成另外的连接或者接触，所述其它的片可以具有相同的材料或者形状。

通常，根据能量存储装置的输出要求，和最终使用的应用，将多个电化学电池在能量存储装置(例如电池组包)中彼此相邻地堆叠。通常将电池以串联和/或并联排列彼此连接。有时候，该电池组包或者电池组可能由于单个电池的损坏而失效。

一种失效的机理可能在固体隔板破裂，或者通过其它方式损坏时引起。当所述固体隔板被破坏时，熔融的电解质(来自正极室)可能与负极材料(例如，钠)接触，导致电短路。该电池组仍然可能继续操作，并且继续使用短路的电池(或失效的电池)循环。在电池组的操作过程中，过量的电解质可能随着时间的变化而与电池的外壳(或包装壳)接触，并且能够形成新的电化学电池(即原电池)。这种原电池涉及到铁(来自于电池外壳)和正极材料的还原和氧化，并且会导致外壳的电化学腐蚀。因为这个原因，熔融的电解质可能也称为“腐蚀材料”。

本申请所用的“腐蚀”是通过电化学机理产生的化学反应。在腐蚀过程中，发生两个反应：(i)氧化反应，其中电子离开金属，导致金属转化成金属盐；和(ii)还原反应，其中电子用于将金属盐转化成金属。例如，在目前使用的一些电化学电池的情况下，随着腐蚀的发生，也发生氧化和还原反应；并且在包装壳金属(例如钢)的表面上形成氯化铁，从而使得包装壳金属的一些区域变薄并且甚至是破裂。

在电池中，负极材料(例如，钠)通常平衡正极材料(例如，氯化镍)。如前面所讨论的，在充电和放电过程中，氧化的负极材料通过隔板传导，从而在负极室和正极室之间连通。有时可能的是，在破裂的情况下，如果可获得足够量的负极材料来与从正极室泄露的材料反应，那么不发生腐蚀。例如，熔融的钠可以与四氯铝酸根反应形成氯化钠和铝，其用作“电短路”。

但是，本领域技术人员可能会认识到，有时候，当隔板破裂或损坏时，可能不能获得负极材料来与正极室的材料反应。原因可能包括在电池的放电状态存在少量的负极材料，和/或负极材料在容器底部的沉积。此外，在这些情况下，短路的电池的电池电阻(cellresistance)可能非常高，这导致电阻性加热(resistiveheating)，在放电的状态下尤其是这样。从正极室泄露进负极室的腐蚀材料，与高温一起，可能导致外壳破裂。腐蚀材料可能进攻电池组包中的相邻电池，这最终导致整个电池组包的失效。

本申请描述的本发明的实施方式解决了现有技术的所示缺点。继续参考图1，负极室28有时可包括含有牺牲金属的组件。本申请所用的术语“牺牲金属”是指这样的金属或者金属合金，其具有比电化学电池中外壳12的金属材料(例如存在于钢中的铁)较“活性”的电压，即负一些的氧化电位，并且用作原电负极(galvanicanode)。在一种实施方式中，牺牲金属的氧化电位小于铁的氧化电位。电池中的这两种金属(牺牲金属和铁)之间的氧化电位的差别意味着(存在于组件中的)牺牲金属被腐蚀掉，而组件金属优先于外壳金属被消耗。这通过将氧化反应传递给所述组件，有效地停止或者抑制了外壳表面上的氧化反应，组件将会被牺牲，而有利于外壳12处于保护下。

在一种实施方式中，牺牲金属是电和热传导性的。牺牲金属可为单种金属，或合金。牺牲金属的非限制性实例是锰，钛，镁，锌，铜，铝，铬，或其各种组合。在电池的常规操作中，牺牲金属不通过传导离子的固体隔板传导，并且不参与电池反应。有利地，在破裂的情况下，常常可获得牺牲金属来与正极材料反应。

如本公开所使用的，术语“牺牲金属”不意图包含通常用作负极材料的碱金属例如锂，钠，或钾。虽然这些碱金属的氧化电位可能小于铁的氧化电位(或者外壳材料的氧化电位)，本公开中的“牺牲金属”是指负极室中负极材料中的另外的金属，不包括碱金属。

在一些具体的实施方式中，含有牺牲金属的组件由锌，或含锌合金形成。在一些其它的具体实施方式中，含有牺牲金属的组件由铜，或含铜合金形成。根据腐蚀保护的要求，该组件可由纯的铜或者高含量的铜-合金形成，部分取决于形成外壳的材料。

在一些实施方式中，所述组件由黄铜形成。通常，黄铜是铜和锌的合金。具有高铜含量的黄铜有时可能是期望的，这是因为有高的电和热传导性要求。在一种实施方式中，黄铜中铜的量可为约30％至约70％，更具体地至约60％。此外，本申请所用的黄铜不含有铅。

在一些实施方式中，所述组件可部分地或者完全被含牺牲金属的涂层覆盖。为了简化描述的目的，″包含牺牲金属的组件″意图包括该组件被牺牲材料的涂层覆盖的情形。在这些实施方式中，该组件可能不包含牺牲金属，并且可能包含另一金属或者在一个或者所有的侧面上被牺牲金属层覆盖的非金属(例如，陶瓷)。一些合适的金属的实例可包括铁，镍，铝，或含有前述物质的合金。在一些实施方式中，所述组件可由具有另一种(不同的)牺牲金属的涂层的牺牲金属形成。一种具体的实施例可为由涂覆有锌的铜形成的组件。

含有所述牺牲金属的组件也可有助于电化学电池在操作条件或者失效条件下的热管理。电化学电池常常操作于约250至约380摄氏度的温度范围。在某些实施方式中，电池的操作温度可达到约400摄氏度。该组件可在该电池中在操作和失效的条件下，通过降低电池内温度的增加速率，和从电池的芯部向外壳传导热，提供有效的热管理。

负极室中的组件可以以各种形状存在，例如，球，立方体，棒，条带，板，垫片，等。另一其它规则或者不规则形状的组件也是可能的。在一种具体的实施方式中，该组件是棒或者条带。该棒可具有圆形的形状，卵形的或椭圆形的形状，或多边形的横截面轮廓。在另一具体的实施方式中，含有该牺牲材料的组件是垫片或者垫片-结构，如上所述。也可使用多个组件，和/或不同形状的组件的任何组合，这取决于负极室中所期望的、在失效的电池中要牺牲的牺牲金属的量。

根据本发明的一些实施方式，如图1中所示例的，垫片-结构34除了包括其它材料例如其它金属之外，还包括牺牲金属。在一些具体的实施方式中，垫片-结构34完全由牺牲金属形成。在多个垫片结构的情况下，至少一个垫片和/或垫片结构可由牺牲金属形成。在一些其它实施方式中，垫片-结构34的至少一个垫片可包含在一侧或两侧上覆盖有牺牲金属层的非金属基板。

在一些实施方式中，当垫片-结构34不含有牺牲金属时，可将由牺牲金属(或者至少包含一定量的牺牲材料)形成的另外的垫片-结构36，置于负极室28内。分别如图2和3中所述，可将另外的垫片-结构36相邻于垫片-结构34的外表面35放置，或放在垫片-结构34和隔板的负极表面26之间。

在一些情况下，所述另外的垫片-结构36可以是对称的，在形状、尺寸和类型方面与垫片-结构34相同(或者相似)。但是在其它实施方式中，它们不必要彼此相同或者相似。如本申请中所用的，术语“类型”是指垫片-结构在包含在该垫片-结构中的垫片的数目方面的配制，和/或包围在隔板18周围的垫片-结构的数量。可设置单个垫片-结构或者多个垫片-结构36，其可包括单个垫片或多个垫片(例如，双垫片)。此外，垫片-结构36的每个垫片可由相同的材料形成，或由不同的材料形成。

图4和5说明根据本发明的另一示例性实施方式的电化学电池100的一部分。该电化学电池100包含外壳120，其具有界定体积的内表面122。为了说明的目的，该外壳仅部分地根据它的高度示于图4中。外壳120可向上延伸至隔板125的整个高度，并且常常是这样做的。在所说明的实施方式中，外壳120具有四个角区域124，这更加清楚地描述于图5中。隔板125置于外壳122的体积内。隔板125可以具有界定负极室128的一部分的负极表面126(参见图5)。隔板125还可包括界定正极室132的正极表面130。负极表面126和正极表面130通常是圆周性(circumferential)。正极室132常常置于负极室128内，如图5中所示。负极室128通过隔板125与正极室132离子连通。

继续参考图4和5，隔板125可设计为具有四个凸起部分(凸起)134，和四个相应的“凹谷”部分136。一对凸起可界定跨越外壳120的内表面122和隔板125的负极表面126之间的缝隙138的凹谷部分。隔板125可同心环形地位于外壳120中，其中隔板125的每个凸起134与外壳120的一个角区域124对齐，并且向该角区域124突出。

图4还说明在一些实施方式中，四个垫片结构140邻近隔板的负极表面126设置。但是，在一些其它实施方式中，可将较大或较小数量的垫片-结构包围在隔板125周围，这描述于参考的美国专利申请13/173320中。每个垫片-结构140可以与一个凸起部分134，和隔板125的所述凹谷部分136的至少一部分咬合。隔板125周围的垫片-结构140的排列可更加清楚地从示于图5中的电化学电池100的横截面轮廓看出(对应于图4)。在一种实施方式中，至少一个垫片-结构140由牺牲金属形成。在具体的实施方式中，四个垫片-结构140都由牺牲金属形成。

这些示例性实施方式中所述的垫片-结构具有基本上类似的形状，尺寸和排列，这描述于参考的专利申请公开U.S.2010/0178546A1和美国专利申请No.13/173320中。此外，垫片-结构或者单个垫片可以是纹理化的，有凹槽的，和/或穿孔的。如前面所提到的，该垫片可具有均匀的厚度，或可具有沿着垫片的高度逐步变化的厚度。

一些可供选择的实施方式描述于图6和7中。两组四个垫片-结构-第一组142和第二组143排列在电化学电池200的负极室128中隔板125周围。第一组142是常规使用的垫片-结构，其由如前所述金属或金属合金(例如，镀镍的钢)形成，第二组143包括牺牲金属。在这些实施方式中，第一组142和第二组143是对称的，并且形状和尺寸相同，并且可以完全彼此重叠。图6说明该实施方式，其中第一组142垫片邻近隔板的负极表面126放置，第二组143垫片对称地邻近于第一组142的外表面141放置。在图7中，第二组143垫片邻近于隔板的负极表面126放置，插入在隔板125和第一组142之间。在一种实施方式中，在两个组142和143之间基本上没有缝隙。在另一实施方式中，两组垫片-结构142和143可具有缝隙144。缝隙144可保持尽可能地小，但是为了清楚起见，它被夸张地示于图6和7中。

根据本发明的其它实施方式，能量存储装置包括多个在前面的实施方式中披露的电化学电池。该电池直接或者间接地彼此热和/或电连通。本领域普通技术人员熟悉这些装置的一般原理。

实施例

以下实施例仅是说明性的，不应该理解为是对权利要求所要求的本发明范围的任何类型的限制。

由4.8cm×19.8cm×0.1mm钢片材制造4个单-垫片结构。用镍在两侧上涂覆该钢片材。涂层的厚度为约2微米。通过冲压，将该片材设计为具体的形状(如以上示例性实施方式的一些中所述，并且示于图3中)。

从黄铜片材制造4个单垫片-结构。将该垫片-结构构造为与以上对于钢垫片所述相同的形状和尺寸。

分别使用钢垫片结构和黄铜垫片-结构，使用2个钠-氯化镍电池：电池1和电池2，测量该电池内的温度曲线。该电池使用管状的β”-氧化铝隔板(也称为BASE)，并且具有与图4和5中所述相同的设计。该隔板具有约23cm的长度。将包含镍和氯化钠的正极材料加载到两个该电池的管状隔板中，其用作工作正极。进一步将一定量的四氯铝酸钠添加到每个电池中的正极材料中。分别在电池1和电池2中，在非常接近于隔板处，组装四个钢垫片-结构；和四个黄铜垫片-结构。通过将每个隔板的凸起处设置一个垫片-结构，所述的四个垫片-结构包围隔板。将正极/隔板/垫片-结构的组合件置于含有1-2g金属钠的不锈钢包装壳中。包装壳的尺寸为约35cm×35cm×0.4mm。使用多个热电偶测量该电池的温度曲线。

图8是300，其分别显示电池1和电池2的放电曲线301和302。从该图可明显看出，黄铜垫片-结构显示出与镍涂覆的钢垫片-结构基本上类似的性能(放电电阻)。但是，已经观察到，当人为使两个电池的隔板破裂后，黄铜垫片-结构腐蚀得超过镍涂覆的钢垫片-结构，并且具有镍涂覆的钢垫片-结构的电池的钢包装壳发生了腐蚀，而具有黄铜垫片-结构的电池的钢包装壳未发生腐蚀。

虽然仅在本申请中说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员能够想到许多改进和变化。因此，应该理解，所附权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神范围内的所有这些改进和改变。

Claims (22)

1.一种电化学电池，包括：

含有金属材料的外壳，其中所述外壳界定含碱金属的负极室的一部分，

置于所述外壳中的隔板，所述负极室置于所述外壳和所述隔板的负极表面之间，和

置于所述负极室中的组件，其中所述组件包括牺牲金属，所述牺牲金属的氧化电位小于所述外壳材料的氧化电位，

其中，包括所述牺牲金属的所述组件包括垫片-结构，所述垫片-结构邻近所述隔板的负极表面设置。

2.权利要求1的电化学电池，其中所述外壳的横截面是圆形的、椭圆形的，或者多边形的。

3.权利要求1的电化学电池，其中所述外壳的所述金属材料包括铁、镍、钼、或其合金。

4.权利要求1的电化学电池，其中所述碱金属选自锂、钠或钾。

5.权利要求1的电化学电池，其中所述碱金属是钠。

6.权利要求1的电化学电池，其中所述隔板是圆柱形的、细长的、管状的，或者杯状的。

7.权利要求6的电化学电池，其中所述隔板的横截面轮廓为圆形的、卵形的或椭圆形的、多边形的、十字形的、星形的，或者苜蓿叶形的。

8.权利要求1的电化学电池，其中所述隔板包括传导碱金属离子的材料。

9.权利要求1的电化学电池，其中所述隔板还包括界定正极室的正极表面，所述正极室通过隔板与所述负极室离子连通。

10.权利要求9的电化学电池，其中所述正极室置于所述负极室中。

11.权利要求1的电化学电池，其中所述垫片-结构包括单-垫片。

12.权利要求1的电化学电池，其中所述垫片-结构包括多个垫片。

13.权利要求1的电化学电池，其中所述垫片-结构具有基本上与隔板的负极表面一致的形状。

14.权利要求1的电化学电池，其中所述隔板具有垂直于所述外壳的基底的高度尺寸，所述垫片-结构延伸至所述隔板的整个高度。

15.权利要求1的电化学电池，其中所述牺牲金属包括锰、钛、镁、铬、铜，或锌或者它们的金属合金。

16.权利要求1的电化学电池，其中所述组件包括锌或者含锌合金。

17.权利要求1的电化学电池，其中所述组件包括铜或者含铜合金。

18.权利要求1的电化学电池，其中所述组件包括黄铜。

19.权利要求1的电化学电池，其中所述牺牲金属包含在至少部分覆盖该组件的涂层中。

20.一种电化学电池，包括：

含有金属材料的外壳，其中所述外壳界定含碱金属的负极室的一部分，

置于所述外壳中的隔板，所述负极室置于所述外壳和所述隔板的负极表面之间，和

置于所述负极室中的组件，其中所述组件包括牺牲金属，所述牺牲金属的氧化电位小于所述外壳材料的氧化电位，

其中，包括所述牺牲金属的所述组件邻近所述隔板的负极表面设置,包括所述牺牲金属的所述组件的形状为：棒、条带、板、片材、球、立方体、或其组合、或不规则形状。

21.一种电化学电池，其包括：

具有界定体积的内表面的外壳，所述外壳包括铁；

传导离子的管状隔板，所述隔板置于所述体积中并且具有界定含碱金属的负极室的一部分的负极表面；和

置于所述负极室中的垫片结构，所述垫片结构邻近所述隔板的负极表面设置，其中所述垫片结构包括锌。

22.一种能量存储装置，其包括：多个权利要求21的电化学电池，其中所述电池是彼此热和电导通的。