CN103123990B - 一种钠硫电池负极密封集流结构 - Google Patents

一种钠硫电池负极密封集流结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了储能领域的一种钠硫电池负极密封集流结构，包括储钠管、金属密封盖和陶瓷绝缘环，所述金属密封盖将所述储钠管封闭，所述金属密封盖底面的圆周上设有上金属环；所述上金属环的底部设有径向凸缘，所述陶瓷绝缘环固定在所述径向凸缘的底面上。其技术效果是：有效地将陶瓷绝缘环所受的压应力传递到所述径向凸缘上，防止陶瓷绝缘环因为压应力而损坏。

Description

一种钠硫电池负极密封集流结构
技术领域
本发明涉及储能领域的一种钠硫电池负极密封集流结构。
背景技术
现有钠硫电池的结构为钠硫电池的中心设置储钠管7，储钠管7外套接陶瓷电解质管8，陶瓷电解质管8外再套接金属外壳9的结构，陶瓷电解质管8和储钠管7之间的间隙为钠硫电池的阴极室R1，陶瓷电解质管8和金属外壳9之间形成储有单质硫或者多硫化钠的阳极室R2。阳极室R2的上部通过下金属环10密封，并且下金属环10与金属外壳9之间通过激光焊固定。因而下金属环10为钠硫电池正极密封结构。
为了能将钠硫电池的负极封闭，钠硫电池中设计了钠硫电池负极密封集流结构。钠硫电池负极封闭集流结构包括：陶瓷绝缘环1、上金属环2、金属密封盖3和储钠管7。金属密封盖3将储钠管7的顶部封闭，上金属环2围绕金属密封盖3底面的圆周设置，陶瓷绝缘环1通过热压焊固定在上金属环2的底面上；陶瓷绝缘环1通过玻璃密封接与陶瓷电解质管8的外侧壁和顶面固定，陶瓷绝缘环1的底面通过热压焊与下金属环10的顶面固定。这样设计的缺陷在于：陶瓷绝缘环1和上金属环2、下金属环10的热膨胀系数存在差异，上金属环2和下金属环10膨胀后，陶瓷绝缘环1受到来自上金属环2和下金属环10的压应力，严重的可导致陶瓷绝缘环1破裂，钠硫电池的阴极室R1和阳极室R2不再绝缘。
同时，现有的钠硫电池的储钠管7采用不锈钢材质，金属密封盖3的顶端只有一个负极极耳11。在放电初期，由于储钠管7内液态钠的液面高，对储钠管7内壁的浸润面积大，钠硫电池的欧姆阻抗较小，但容易造成负极极耳的腐蚀，随着放电深度的增加，储钠管7内液态钠液面下降，液态钠对储钠管7的浸润面积下降，钠硫电池的欧姆阻抗呈现线性增加，降低电池充放电性能。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池负极密封集流结构，其能够有效传递陶瓷绝缘环所受的压应力，防止陶瓷绝缘环因为压应力而损坏。
实现上述目的的一种技术方案是：一种钠硫电池负极密封集流结构，包括储钠管、金属密封盖和陶瓷绝缘环，所述金属密封盖将所述储钠管封闭，所述金属密封盖底面的圆周上设有上金属环。
所述上金属环的底部设置径向凸缘，所述陶瓷绝缘环固定在所述径向凸缘的底面上。
进一步的，所述金属密封盖的中心插接有伸入所述储钠管内的金属棒；所述金属棒设有顶部开口，所述顶部开口的顶面与所述金属密封盖的顶面等高并固定，该顶部开口的底部设有径向通孔，所述顶部开口中插有销钉，该销钉与所述金属密封盖的顶面密封焊接。
进一步的，所述金属密封盖的底面设有环形凸台，所述环形凸台位于所述上金属环的径向内侧，所述环形凸台通过激光焊，分别与所述上金属环以及所述储钠管的外侧壁固定。
进一步的，所述陶瓷绝缘环和所述径向凸缘的底面通过热压焊固定。
再进一步的，所述金属棒的顶部开口的顶面与所述金属密封盖的顶面之间通过焊接固定，并且金属棒的顶部开口的顶面与所述金属密封盖的顶面均设有镀锌涂层。
采用了本发明的一种钠硫电池负极密封集流结构的技术方案，即在上金属环的底部设置径向凸缘，陶瓷绝缘环固定在所述径向凸缘的底面上的技术方案。其技术效果是：能有效地将陶瓷绝缘环所受的压应力传递到所述径向凸缘上，防止陶瓷绝缘环因为压应力而损坏。
附图说明
图1为现有技术的钠硫电池负极密封集流结构的安装示意图。
图2为本发明的一种钠硫电池负极密封集流结构示意图。
具体实施方式
请参阅图2，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，本发明的一种钠硫电池负极密封集流结构，包括陶瓷绝缘环1、上金属环2、金属密封盖3和储钠管7。
金属密封盖3的底面的圆周上固定有上金属环2，上金属环2的底部设有一个径向凸缘21，该径向凸缘21底面上固定有陶瓷绝缘环1，该陶瓷绝缘环1与钠硫电池的陶瓷绝缘管的外侧壁和顶面通过玻璃密封固定，该陶瓷绝缘环1的底面与钠硫电池的下金属环固定。
这样设计的目的在于：通过在在上金属环2的底部设置径向凸缘21，径向凸缘21的底面上固定陶瓷绝缘环1，在钠硫电池工作时，陶瓷绝缘环1受到的压应力将转移到径向凸缘21上，防止陶瓷绝缘环1因为压应力过大而损坏。
本实施例中，套陶瓷绝缘环1是由α氧化铝制成的，采用α氧化铝的原因在于α氧化铝对钠离子无传导性，起到有效绝缘的作用。另外一方面，α氧化铝模量和抗压强度都很高，可以保证本发明的一种钠硫电池负极密封集流结构对钠硫电池的负极进行有效密封。
本实施例中，陶瓷绝缘环1是通过热压焊与上金属环2固定在一起的，这是金属和陶瓷之间常见的焊接方式。优选的，陶瓷绝缘环1通过热压焊与上金属环2之间进行热压焊时，选用低熔点的铝硅合金来作为钎料层22。选用铝硅合金是因为铝硅合金中的硅元素对α氧化铝具有良好的润湿性能，这样可以提高上金属环2与陶瓷绝缘环1之间的结合强度，本实施例中，上金属环2与陶瓷绝缘环1之间的结合强度在1.5MPa至2.5MPa之间。
本实施例中，上金属环2采用具有优良耐硫腐蚀性的316奥氏体不锈钢，金属密封盖3同样采用具有优良耐硫腐蚀性的316奥氏体不锈钢，储钠管7采用具有优良焊接性能的奥氏体不锈钢，优选地选用304L型奥氏体不锈钢，这样便于上金属环2、金属密封盖3和储钠管7通过焊接，特别是激光焊固定。
本实施例中，径向凸缘21的高度h优选为金属密封盖3厚度d的2至15倍，这时径向凸缘21承受陶瓷绝缘环1所转移的压应力的效果最好。
实施例2
实施例2是对实施例进一步的改进，实施例2中，金属密封盖3的中心插接有金属棒5，金属棒5轴向伸入储钠管7内，金属棒5对液态钠是浸润的，但不能和液态钠反应，因此金属棒5所选用的材料为铝合金。金属棒5优选的材料为1A99牌号的纯铝或者铝锰合金。
金属棒5设置顶部开口，该顶部开口的顶面，即金属棒5的顶面与金属密封盖3的顶面等高，该顶部开口的底部设置径向通孔6，便于液态钠从金属棒5的顶部开口流入，而从径向通孔6流出，进入储钠管7。由于金属密封盖3和金属棒5的熔点相差较大，金属棒的熔点约为660℃，金属密封盖3的熔点约为1400-1500℃，为了能将金属密封盖3和金属棒5焊接，金属棒5的顶面的和金属密封盖3的顶面均设有镀锌涂层，这样金属棒5的顶面的和金属密封盖3的顶面通过惰性气体钨极保护焊(TIG焊)固定在一起。
销钉4的下半部41插入金属棒5的顶部开口中，销钉4上半部42的底面与金属密封盖3的顶面密封焊接，从而使销钉4的上半部42起到了钠硫电池的负极极耳的作用。本实施例中，销钉4上半部42的底面是通过激光焊接与金属密封盖3的顶面密封焊接的。
为了能将销钉4上半部42的底面与金属密封盖3顶面通过激光焊焊接在一起，本实施例中，销钉4采用316型不锈钢。
本实施例中，通过在金属密封盖3的中心插接伸入储钠管7内的金属棒5，并将金属密封盖3、金属棒5和销钉4通过焊接连为一体，这样可以增加储钠管7内液态钠对整个钠硫电池负极密封集流结构的浸润面积，这样解决了液态钠对负极极耳有腐蚀性的技术问题，同时在钠硫电池放电后期，防止了钠硫电池欧姆阻抗的现线性增加，改善电池的充放电性能。
为了能将钠硫电池串联，销钉4上半部42的外圆周上设置M8的螺纹。
本实施例中，销钉4的安装方法为，将安装了金属密封盖3的储钠管7置于电炉中加热，升温速度控制在8℃/min，待储钠管7的温度达到120-150℃时，暂停加热，从金属棒5的顶部开口向储钠管7中缓慢加入液态钠，该过程控制在5分钟之内，随后随炉冷却。最后将销钉4的下半部41插入金属棒5的顶部开口，将销钉4上半部42的底面与金属密封盖3的顶面密封焊接。
实施例3
实施例3是对实施例1和实施例2的进一步改进。本实施例中，金属密封盖3的底面上设置环形凸台31，环形凸台31位于上金属环2的径向内侧，该环形凸台31通过焊接与储钠管7的外侧壁以及上金属环2分别固定。这样设计的目的在于：可以在保证金属密封盖3与储钠管7之间，金属密封盖3与上金属环2之间焊接强度的同时，缩短焊接所需的时间。本实施例中采用的焊接工艺为激光焊，为了获得更好的焊接效果，储钠管7和环形凸台31进行激光焊时，采用氩气进行保护。激光焊持续的时间为10s，激光焊的深度为1.2～1.5mm，这样可以保证环形凸台31和储钠管7之间的结合强度不低于储钠管7或金属密封盖3两者中任意一个的抗拉强度。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (1)

1.一种钠硫电池负极密封集流结构，包括储钠管(7)、金属密封盖(3)和陶瓷绝缘环(1)，所述金属密封盖(3)将所述储钠管(7)封闭，所述金属密封盖(3)底面的圆周上设有上金属环(2)；所述储钠管(7)采用具有优良焊接性能的奥氏体不锈钢，其特征在于：
所述上金属环(2)的底部设置径向凸缘(21)，所述陶瓷绝缘环(1)固定在所述径向凸缘(21)的底面上；
所述金属密封盖(3)的中心插接有伸入所述储钠管(7)内的金属棒(5)；所述金属棒(5)设有顶部开口，所述顶部开口的顶面与所述金属密封盖(3)的顶面等高并固定，该顶部开口的底部设有径向通孔(6)，所述顶部开口中插有销钉(4)，该销钉(4)与所述金属密封盖(3)的顶面密封焊接；
所述金属密封盖(3)的底面设有环形凸台(31)，所述环形凸台(31)位于所述上金属环(2)的径向内侧，所述环形凸台(31)通过激光焊，分别与所述上金属环(2)以及所述储钠管(7)的外侧壁固定；
所述陶瓷绝缘环(1)和所述径向凸缘(21)的底面通过热压焊固定；
所述金属棒(5)的顶部开口的顶面与所述金属密封盖(3)的顶面之间通过焊接固定，并且金属棒(5)的顶部开口的顶面与所述金属密封盖(3)的顶面均设有镀锌涂层。
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