CN103499204B - 一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了化学储能领域的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装；包括容器，所述容器的底部由容器底座封闭，所述容器底座的顶面上固定有支撑环,所述支撑环的环壁上开有至少一个气体交换通道；所述容器、所述容器底座和所述支撑环均由能够耐碱性气氛和1500℃以上高温的耐火材料制成；所述支撑环的顶面上设有同步收缩环，所述同步收缩环由固体电解质Na-β″-Al2O3的生坯制成；电解质薄壁陶瓷管的生坯倒置于所述同步收缩环的顶面上。其技术效果是：其能够有效降低电解质薄壁陶瓷管的生产成本，实现批量化生产，并能有效地提高电解质薄壁陶瓷管烧结良率和性能一致性，并能有效防止电解质薄壁陶瓷管的生坯在烧结过程中发生开裂、变形等缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及化学储能领域的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装。
背景技术
固体电解质Na-β″-Al2O3陶瓷具有良好的Na+离子传导性能，在常温下其离子电导率可达到10-2S/cm数量级，固体电解质Na-β″-Al2O3可用作为钠硫电池的电解质薄壁陶瓷管。高性能的电解质薄壁陶瓷管是钠硫电池中的核心组件。在应用过程中，要求固体电解质Na-β″-Al2O3制成的电解质薄壁陶瓷电解质管具有高的离子电导率、高强度以及均匀致密的显微结构。固体电解质Na-β″-Al2O3的生坯在高温下烧结的过程是钠硫电池制备中的关键步骤，对于电池的组装、性能和制造成本有着决定性的影响。
如图1所示，传统工艺中，钠硫电池的由Na-β″-Al2O3制成的电解质薄壁陶瓷管烧结采用的是滚动烧结的方法，以高密度氧化铝管为外套管300，电解质薄壁陶瓷管的生坯100被密封包裹在一个设有坩埚盖201的铂坩埚200内后水平放置在外套管300中后再进行烧结。使用铂坩埚密封包裹电解质薄壁陶瓷管的生坯100的主要原因在于：铂为惰性金属，耐高温，且在烧结过程中不与电解质陶瓷的生坯100或碱性气氛发生反应，从而保护烧结气氛，但是一个铂坩埚的价格都价值数万甚至数十万，极大地增加了电解质薄壁陶瓷管的生产成本，不利于其工业化进程。在烧结过程中，为保证烧结完成后电解质薄壁陶瓷管的垂直度和封闭端的圆整度，外套管300需要一直处于滚动状态，电解质薄壁陶瓷管的生坯100在烧结时一直处于滚动状态，电解质薄壁陶瓷管的生坯100与外包的铂坩埚200不停接触，加之电解质陶瓷管薄壁陶瓷管的生坯100内侧的气压远高于外侧的气压，最终烧成的电解质薄壁陶瓷管，可能会出现微裂纹和圆整度不好等缺陷，或者受到铂坩埚200的污染而引入其它杂质，影响电解质薄壁陶瓷管和钠硫电池的综合性能。
因此，长期以来，许多公司或科研单位都在开发研制适合电解质薄壁陶瓷管的固相烧结方法及工装，但是都未成功。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装，其能够有效降低电解质薄壁陶瓷管的生产成本，实现电解质薄壁陶瓷管批量化生产，并能有效地提高电解质薄壁陶瓷管烧结良率和性能一致性，并能有效防止电解质薄壁陶瓷管的生坯在烧结过程中发生裂纹、变形等缺陷。
实现上述目的的一种技术方案是：一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装，包括容器，所述容器的底部由容器底座封闭，所述容器底座的顶面上固定有支撑环，所述支撑环的环壁上开有至少一个气体交换通道；
所述容器、所述容器底座和所述支撑环均由能够耐碱性气氛和1500℃以上高温的耐火材料制成；
所述支撑环的顶面上设有同步收缩环，所述同步收缩环由固体电解质Na-β″-Al2O3的生坯制成；电解质薄壁陶瓷管的生坯竖直倒置于所述同步收缩环的顶面上。
进一步的，所述容器、所述容器底座和所述支撑环由氧化镁陶瓷或固体电解质Na-β″-Al2O3制成。
进一步的，所述容器外设有外层容器,所述外层容器的底部由窑车承烧板封闭，且所述窑车承烧板支撑所述容器底座，所述外层容器与所述容器之间留有间隙，所述外层容器由能够耐1500℃以上高温，导热、抗震的材料制成；窑车承烧板由高温耐火材料制成。
再进一步的，所述外层容器由高致密氧化铝陶瓷制成。
进一步的，所述支撑环的上端面和下端面是平行的，所述同步收缩环的上端面和下端面是平行的。
采用了本发明的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装的技术方案，即包括容器，所述容器的底部由容器底座封闭，所述容器底座的顶面上固定有支撑环，所述支撑环的环壁上开有至少一个气体交换通道；所述支撑环的顶面上设有同步收缩环，所述同步收缩环由Na-β″-Al2O3电解质陶瓷的生坯制成的技术方案。其技术效果是：其能够有效降低电解质薄壁陶瓷管的生产成本，实现钠硫电池固体电解质批量化生产，并能有效地提高电解质薄壁陶瓷管烧结良率和性能一致性，并能有效防止电解质薄壁陶瓷管的生坯在烧结过程中发生裂纹、变形等缺陷。
附图说明
图1为现有技术钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工艺示意图。
图2为本发明的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装的结构示意图。
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：
请参阅图2，本发明的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装，包括：容器1、容器底座2、支撑环3,同步收缩环4、外部容器5和窑车承烧板6。
容器底座2将容器1的底部封闭，容器底座2与容器1的底部紧密配合以保证烧结过程中容器1内的“富碱性”气氛。
支撑环3位于容器底座2的顶面上，容器底座2对支撑环3进行支撑。支撑环3的环壁上开有至少一个气体交换通道31。
同步收缩环4位于支撑环3的顶面上，由固体电解质Na-β″-Al2O3的生坯制成，电解质薄壁陶瓷管的生坯100竖直倒置于同步收缩环4的顶面上，使电解质薄壁陶瓷管的生坯100能够在本发明的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装内进行竖式烧结，即电解质薄壁陶瓷管的生坯100的开口端101，即管口与同步收缩环4的顶面相接触。支撑环3对同步收缩环4，以及电解质薄壁陶瓷管的生坯100进行支撑。
在本发明的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装中：
同步收缩环4和电解质薄壁陶瓷管的生坯100的材料一样，都是固体电解质Na-β″-Al2O3的生坯制成的，同步收缩环4和电解质薄壁陶瓷管的生坯100是同步烧结的，电解质薄壁陶瓷管的生坯100倒置于同步收缩环4上，电解质薄壁陶瓷管的生坯100与同步收缩环4同步收缩，有效地保证了电解质薄壁陶瓷管烧结完成开口端101的形状，有效防止电解质薄壁陶瓷管的生坯100在烧结过程中发生开口端101的变形或者开裂。
支撑环3上的气体交换通道31的作用在于使电解质薄壁陶瓷管的生坯100内外的气氛能够进行交换，从而保证了电解质薄壁陶瓷管的生坯100内外的气压和气氛均匀，从而提高了烧结完成后，电解质薄壁陶瓷管的性能一致性，以及电解质薄壁陶瓷管封闭端的圆整度。
由于在同步收缩环4和电解质薄壁陶瓷管的生坯100的烧结温度为1500℃，而且烧结过程中，会有钠蒸汽的释放，因此容器1、容器底座2和支撑环3都由耐碱性气氛和1500℃以上的高温的耐火材料制成，保护电解质薄壁陶瓷管的生坯100在碱性气氛下进行的烧结。该耐火材料包括氧化镁陶瓷或固体电解质Na-β″-Al2O3制成等。
本实施例中，支撑环3的上端面和下端面要求光滑，且是相互平行的，以保证竖式烧结过程中，电解质薄壁陶瓷管的生坯100的垂直度和稳定性，保证竖式烧结完成后，电解质薄壁陶瓷管的垂直度。同时减小其上面的同步收缩环4环烧结过程中收到的收缩阻力。
同步收缩环4上端面和下端面要求光滑，且是相互平行的，保证竖式烧结过程中，电解质薄壁陶瓷管的生坯100的垂直度和稳定性，保证竖式烧结完成后，电解质薄壁陶瓷管的垂直度。同时减小电解质薄壁陶瓷管的生坯100烧结过程中受到的收缩阻力。
容器1外侧设有外层容器5，外层容器5的底部由窑车承烧板6封闭，且窑车承烧板6对容器底座2形成支撑，外层容器5的内壁与容器1的外壁之间留有间隙50。采用这种双层容器的结构，尤其是间隙50的存在可有效降低电解质薄壁陶瓷管的生坯100在烧结过程中产生的残留热应力，进一步提高了烧结完成后，电解质薄壁陶瓷管的强度和性能一致性。尤其是在烧结升温和烧结降温过程中，更可以降低由于窑炉热场波动而使电解质薄壁陶瓷管的生坯100产生的大量热应力，从而进一步防止电解质薄壁陶瓷管的生坯100在烧结过程中的开裂，以及烧结完成后电解质薄壁陶瓷管强度的降低。其中，外层容器5要直接接受来自窑炉的热辐射，外层容器5除了要1500℃以上的高温外，还要求其导热性能和抗震性能良好。因此外层容器5可选用高致密氧化铝陶瓷，高致密氧化铝陶瓷的致密度优选在99%以上。而窑车承烧板6一般由高温耐火材料制成，比如多晶莫来石纤维板等。
采用本发明的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装，在气烧窑或电窑内对电解质薄壁陶瓷管的生坯100进行烧结，能够实现电解质薄壁陶瓷管的生坯100的大批量烧结，也不需要使用价格昂贵的铂坩埚。大大降低了电解质薄壁陶瓷管的成本。同时，本发明的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装结构合理，能有效地提高电解质薄壁陶瓷管的烧结良率和性能一致性，并能有效防止电解质薄壁陶瓷管的生坯100在烧结过程中发生裂纹，开口端100变形等缺陷的产生；减少了薄壁陶瓷管在烧结过程中产生的残余热应力，提高了电解质薄壁陶瓷管强度和性能一致性。
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 (3)
1.一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装，其特征在于：包括容器(1)，所述容器(1)的底部由容器底座(2)封闭，所述容器底座(2)的顶面上固定有支撑环(3)，所述支撑环(3)的环壁上开有至少一个气体交换通道(31)；
所述容器(1)、所述容器底座(2)和所述支撑环(3)均由能够耐碱性气氛和1500℃以上高温的耐火材料制成；
所述支撑环(3)的顶面上设有同步收缩环(4)，所述同步收缩环(4)由固体电解质Na-β″-Al2O3的生坯制成；电解质薄壁陶瓷管的生坯(100)竖直倒置于所述同步收缩环(4)的顶面上，
所述容器(1)外设有外层容器(5),所述外层容器(5)的底部由窑车承烧板(6)封闭，且所述窑车承烧板(6)支撑所述容器底座(2)，所述外层容器(5)与所述容器(1)之间留有间隙(50)，所述外层容器(5)由能够耐1500℃以上高温，导热、抗震的材料制成；窑车承烧板(6)由高温耐火材料制成，
所述外层容器(5)由高致密氧化铝陶瓷制成。
2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装，其特征在于：所述容器(1)、所述容器底座(2)和所述支撑环(3)由氧化镁陶瓷或固体电解质Na-β″-Al2O3制成。
3.根据权利要求1至2中任意一项所述的一种钠硫电池电解质薄壁陶瓷管烧结工装，其特征在于：所述支撑环(3)的上端面和下端面是平行的，所述同步收缩环(4)的上端面和下端面是平行的。
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