CN103123986A - 一种用于钠硫电池的安全结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了储能领域的一种用于钠硫电池的安全结构，包括陶瓷电解质管和套接在所述陶瓷电解质管内的储钠管，所述陶瓷电解质管和储钠管之间形成阴极室；所述储钠管的底部连接一储钠管半球，所述储钠管和所述储钠管半球之间设有隔板，该隔板上开有至少一个第一通孔；所述储钠管半球底面的中心设有第二通孔，所述第二通孔的正上方，设有与所述隔板底面弹性连接，并能将所述第二通孔封闭的封堵部件。其技术效果是：其能够在陶瓷电解质管破裂或出现微裂纹时，防止液态钠流入钠硫电池的阴极室的同时，降低对陶瓷电解质管加工精度的要求。

Description

一种用于钠硫电池的安全结构
技术领域
本发明涉及储能领域的一种用于钠硫电池的安全结构。
背景技术
钠硫电池的核心关键材料是β”-Al2O3制成的陶瓷电解质管，电池循环寿命在很大程度上取决于陶瓷电解质管的质量性能。一旦陶瓷电解质管有微裂纹或者破裂，液态钠和液态硫直接接触发生剧烈反应，温度最高可达2000℃，瞬间熔化钠硫电池中金属组件，造成活性物质泄漏。因此必须在钠硫电池中设计安全结构，避免上述情况的发生。
如图1所示，在申请日为2011年12月16日，申请号为201120528962.6，名称为钠硫电池的专利申请中公布了一种技术方案，该方案中的钠硫电池包括从外向内依次套接的陶瓷电解质管1、安全管100和储钠管2，储钠管2的底面上开有底部通孔21。钠硫电池工作时，安全管100与陶瓷电解质管1之间形成钠硫电池的阴极室R1，阴极室的宽度为0.01～0.1mm。储钠管2中储存的液态钠，先从底部通孔21中流出，进入储钠管2与安全管100之间的安全间隙R3，并沿着安全间隙R3上升，然后，液态钠从安全管100的顶部溢出，进入阴极室R1，并通过陶瓷电解质管1与阳极室R2内的液态硫发生反应，生成多硫化钠。当陶瓷电解质管1破裂时，随着电池温度的升高，安全管100和陶瓷电解质管1膨胀，由于安全管100是由不锈钢或铝合金制成的，陶瓷电解质管是由β”-Al2O3制成的，因此安全管100的膨胀程度远大于陶瓷电解质管1，因此，陶瓷电解质管1和安全管100之间的阴极室R1封闭，防止反应进一步进行。
这样设计的缺陷在于：安全管100的长度增加，增加了材料的消耗，另外一方面，陶瓷电解质管1加工精度有着严格的要求，比如陶瓷电解质管1底面的圆度偏差必须小于0.04mm，增加了制造成本，更为关键的是，安全管100和陶瓷电解质管1之间的间隙无法永久封闭。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种用于钠硫电池的安全结构，其能够在陶瓷电解质管破裂或出现微裂纹时，防止液态钠流入钠硫电池的阴极室的同时，降低对陶瓷电解质管加工精度的要求。
实现上述目的的一种技术方案是：一种用于钠硫电池的安全结构，包括陶瓷电解质管和套接在所述陶瓷电解质管内的储钠管，所述陶瓷电解质管和储钠管之间形成阴极室；
所述储钠管的底部连接一储钠管半球，所述储钠管和所述储钠管半球之间设有隔板，该隔板上开有至少一个第一通孔；所述储钠管半球底面的中心设有第二通孔，所述第二通孔的正上方，设有与所述隔板底面弹性连接，并能将所述第二通孔封闭的封堵部件。
进一步的，所述封堵部件与所述隔板之间通过熔丝和弹簧连接，所述熔丝的熔点小于所述弹簧的熔点，且所述弹簧始终处于压缩状态。
进一步的，所述隔板的底面上，围绕所述封堵部件设有导向部件。
再进一步的，所述隔板的底面上，围绕所述封堵部件设有导向部件，所述导向部件与所述隔板连接处设有径向小孔，所述熔丝通过该径向小孔与所述隔板的底面固定。
进一步的，所述陶瓷电解质管外壁的底面设有绝缘涂层。
再进一步的，所述绝缘涂层是由α氧化铝涂层。
进一步的，所述封堵部件的形状为截面面积上大下小的圆锥体。
采用了本发明的一种用于钠硫电池的安全结构的技术方案，即在钠硫电池的储钠管的底部连接一储钠管半球，所述储钠管和所述储钠管半球之间设有隔板，该隔板上开有至少一个第一通孔；所述储钠管半球底面的中心设有第二通孔，所述第二通孔的正上方，设有与所述隔板底面弹性连接，并能将所述第二通孔封闭的封堵部件的技术方案。其技术效果是：其能够在陶瓷电解质管破裂或出现微裂纹时，防止液态钠流入钠硫电池的阴极室的同时，并降低对陶瓷电解质管加工精度的要求。
附图说明
图1为现有技术钠硫电池的结构示意图。
图2为本发明的一种用于钠硫电池的安全结构的示意图。
图3为图2中A部分的局部示意图。
图4为图2种A部分的工作状态示意图。
具体实施方式
请参阅图2至图4，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：
实施例1
请参阅图2至图4，本发明的一种用于钠硫电池的安全结构包括陶瓷电解质管1，储钠管2，以及连接在储钠管2底部的储钠管半球3，储钠管半球3和储钠管2之间设有隔板4。隔板4上设有至少一个第一通孔41，供储钠管2内的液态钠流入储钠管半球3。储钠管半球3的底面的中心设有第二通孔31，使得储钠管半球3内的液态钠流入储钠管2和陶瓷电解质管1之间的阴极室R1，而阴极室R1内的液态钠通过陶瓷电解质管1对钠离子的传导作用，与存储在陶瓷电解质管1和金属壳体8之间阳极室R2内的液态硫发生反应。
在第二通孔31的正上方，设有与隔板4底面弹性连接，并能将第二通孔31封闭的封堵部件5。当钠硫电池的陶瓷电解质管1发生破裂，钠硫电池的温度升高时，该封堵部件5可在弹性力的作用下竖直下降，将第二通孔31封闭，防止液态钠进入阴极室R1，与液态硫的进一步反应，起到安全保护的作用，同时对于陶瓷电解质管1加工精度的要求下降，陶瓷电解质管1底面的圆度可以大于0.04mm，降低了钠硫电池的制造成本。
本实施例中，封堵部件5不能和液态钠发生反应，因此其优选的材质为不锈钢。
本实施例中，封堵部件5的优选形状为截面面积上大下小的圆锥体或者圆锥台，采用圆锥体或者圆锥台的好处在于：它们都有一个导向角θ，导向角θ可使封堵部件5准确地封闭第二通孔31。
本实施例中储钠管2和隔板4均采用的是与液态钠不发生反应的不锈钢。
实施例2
请参阅图2至图4，实施例2是对实施例1的进一步细化，本实施例中，所述封堵部件5是通过熔丝61和弹簧62与隔板4底面连接的。本实施例中要求弹簧62的熔点要大于熔丝61的熔点，并且弹簧62要始终处于压缩状态。
本实施例中要求弹簧62在高温下仍具有弹力，同时弹簧62不能和液态钠发生反应，因此本发明中有优选包含铬、钼、镍、钛以及稀土元素的耐高温不锈钢来制作弹簧62，弹簧62的圈数六至十圈，以确保封堵部件5将第二通孔31封闭后，弹簧62依旧对封堵部件5保持压力。
本实施例中所选用的熔丝61也不能和液态钠反应，因此优选包含铝锰镁等元素的铝合金丝，该铝合金丝的熔点在580℃左右。
由于本实施例中，封堵部件5的质量约为10g，因此本发明中熔丝61的优选为的直径为0.6-1.2mm，这是因为熔丝61的拉力随着温度的升高而下降，若熔丝直径小于0.6mm，在400℃条件下，熔丝61的拉力小于弹簧62的弹力甚至熔丝61发生断裂，封堵部件5提前下落，将第二通孔31封闭，钠硫电池无法工作。熔丝61的直径大于1.2mm，电池温度升至450℃时，弹簧62的弹力仍然小于熔丝61的拉力，封堵部件5无法落下，储钠管2对液态钠的供给无法停止，起不到安全保护的作用。熔丝61的直径为0.6-1.2mm，熔丝61的拉力和弹簧62的弹力相等的温度在400～450℃之间。在本发明的一种用于钠硫电池的安全结构尚未启动时，在熔丝61的拉力的作用下，弹簧62处于压缩状态，因而弹簧62中存储着能量，若钠硫电池温度持续升高，熔丝61的拉力和弹簧62的弹力相等时，弹簧62中存储着能量会因为熔丝61拉力的下降而释放，致使封堵部件5落下，封闭第二通孔31。同时，弹簧的熔点大于1200℃，并且在封堵部件5将第二通孔31封闭后，弹簧62依旧保持压缩状态，对封堵部件5保持压力，这样第二通孔31处于永久的封闭状态，提高了钠硫电池的安全性。
实施例3
实施例3是在实施例2上的进一步改进，本是实施例隔板4的底面上围绕封堵部件5的圆周设有导向部件7，该导向部件7用以引导封堵部件5竖直下落，将第二通孔31封闭。本实施例中，导向部件7是围绕封堵部件5圆周设置的空心圆筒。该空心圆筒通过焊接与隔板4的底面固定。该空心圆筒采用的是不锈钢材质，优选地选用含8%-20%铬的奥氏体不锈钢，这样可以减小该空心圆筒内壁与封堵部件5之间的轴向摩擦力。该空心圆筒的底面与储钠管半球3之间留有间隙，以便在钠硫电池工作时，让液体钠流过。该空心圆筒的上部，即该空心圆筒与隔板5的连接处设有径向小孔71，该径向小孔71的主要作用是固定熔丝61，该径向小孔71的直径约为1.5mm。
同时该空心圆筒内壁的粗糙度Ra2与封堵部件5侧壁的粗糙度Ra1均小于0.2mm，以减小该空心圆筒与封堵部件5之间轴向摩擦力，保证封堵部件5迅速竖直下落，将第二通孔31封闭。
实施例4
实施例4是在实施例1、实施例2或实施例3上的改进。本实施例中对陶瓷电解质管1外壁的底面进行局部表面改性。即在陶瓷电解质管1外壁的底面上涂覆绝缘涂层11，该绝缘涂层11对钠离子不具有传导作用，该绝缘涂层11多由无机氧化物组成。本实施例中，绝缘涂层11优选的材料为α氧化铝，通过超音速等离子热喷涂方法将粒度在-140目-+325目α氧化铝粉末喷涂在陶瓷电解质管1外壁的底面，形成绝缘涂层11。该绝缘涂层11的孔隙率<5%。为了压缩成本，该绝缘涂层11只覆盖了不超过75%的陶瓷电解质管1外壁的底面。为了减轻α氧化铝粉末对陶瓷电解质管1的热冲击力，喷涂过程中，喷涂距离控制在50-90mm。当然，该绝缘涂层11还可以采用其它氧化物，如立方氧化锆，氧化锌，二氧化钛等。
通过在陶瓷电解质管1的底面涂覆绝缘涂层11，防止陶瓷电解质管1的底部参与硫和钠的反应，保护陶瓷电解质管1底部破裂而造成液态硫和液态钠发生剧烈反应。

Claims (7)

1.一种用于钠硫电池的安全结构，包括陶瓷电解质管（1）和套接在所述陶瓷电解质管（1）内的储钠管（2），所述陶瓷电解质管（1）和储钠管（2）之间形成阴极室（R1），其特征在于：
所述储钠管（2）的底部连接一储钠管半球（3），所述储钠管（2）和所述储钠管半球（3）之间设有隔板（4），该隔板（4）上开有至少一个第一通孔（41）；所述储钠管半球（3）底面的中心设有第二通孔（31），所述第二通孔（31）的正上方，设有与所述隔板（4）底面弹性连接，并能将所述第二通孔（31）封闭的封堵部件（5）。
2.根据权利要求1所述的一种用于钠硫电池的安全结构，其特征在于：所述封堵部件（5）与所述隔板（4）之间通过熔丝（61）和弹簧（62）连接，所述熔丝（61）的熔点小于所述弹簧（62）的熔点，且所述弹簧（62）始终处于压缩状态。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于钠硫电池的安全结构，其特征在于：所述隔板（4）的底面上，围绕所述封堵部件（5）设有导向部件（7）。
4.根据权利要求2所述的一种用于钠硫电池的安全结构，其特征在于：所述隔板（4）的底面上，围绕所述封堵部件（5）设有导向部件（7），所述导向部件（7）与所述隔板（4）连接处设有径向小孔（71），所述熔丝（61）通过该径向小孔（71）与所述隔板（4）的底面固定。
5.根据权利要求1或2或4中任意一项所述的一种用于钠硫电池的安全结构，其特征在于：所述陶瓷电解质管（1）外壁的底面设有绝缘涂层（11）。
6.根据权利要求5所述的一种用于钠硫电池的安全结构，其特征在于：所述绝缘涂层（11）是由α氧化铝涂层。
7.根据权利要求1或2或4中任意一项所述的一种用于钠硫电池的安全结构，其特征在于：所述封堵部件（5）的形状为截面面积上大下小的圆锥体。
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