CN103531855B - 一种钠硫电池正极密封结构 - 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正极密封结构，包括电解质陶瓷管和外壳，电解质陶瓷管的顶面上固定有一个径向向外突出的陶瓷绝缘环；其还包括L形金属环、槽形金属环和顶部金属环；L形金属环的水平段的顶面与陶瓷绝缘环的底面固定；L形金属环的垂直段的内侧面与陶瓷绝缘环的外侧面固定，外侧面与外壳的内侧面分离，且顶面高于陶瓷绝缘环的顶面；槽形金属环的内圈槽壁高于其外圈槽壁，外圈槽壁的外侧面与L形金属环的垂直段的内侧面固定，顶面与L形金属环的垂直段的顶面等高；顶部金属环连接槽形金属环的内圈槽壁的外侧面和外壳的内侧面，顶部金属环的顶面上设有一个环形槽。其技术效果是：在钠硫电池降温过程中，有效分散了电解质陶瓷管所受到的应力。
Description
技术领域
本发明涉及化学储能领域的一种钠硫电池正极密封结构。
背景技术
钠硫电池的关键材料是β”-Al2O3制成的电解质陶瓷管，电池安全性能在很大程度上取决于电解质陶瓷管的力学性能。一旦电解质陶瓷管有微裂纹或者破裂，钠和硫直接接触发生剧烈反应，温度最高可达2000℃。钠硫电池的安全性主要有两个方面，其中一个为电池升降温安全性能，电池模块不可避免的要进行定期维护等工作，电池降温时，尤其是温度降至280℃之下时，钠硫电池正极室内的多硫化钠凝固，电解质陶瓷管底部收到较大压应力，如果压应力得到不释放，容易导致电解质陶瓷管的管口部和底部破裂，造成钠和硫磺直接发生反应，危害性较大。
如图1所示，现有的钠硫电池中，电解质陶瓷管100的顶面上固定有一个径向向外突出的陶瓷绝缘环1，陶瓷绝缘环1与电解质陶瓷管100是通过热压焊固定的。陶瓷绝缘环1的顶面与钠硫电池的负极密封盖300之间通过负极密封环5连接，负极密封环5的底部设有一个径向向外突出的凸缘52，凸缘52的底面与陶瓷绝缘环1的顶面通过热压焊固定，从而将钠硫电池的负极室310封闭。而陶瓷绝缘环1与钠硫电池的外壳200的径向之间设有正极密封环7，正极密封环7与陶瓷绝缘环1之间通过热压焊固定，正极密封环7与外壳200的内侧面之间通过焊接固定，从而将钠硫电池的正极室210封闭。
这样的设计，在钠硫电池降温过程中，电解质陶瓷管100受到的应力，传递到陶瓷绝缘环1上后，很难再通过正极密封环7和负极密封环5分散。为了分散电解质陶瓷管100受到的应力，外壳200采用了波纹管的结构。采用具有高韧性的铝合金材质时，加工出波纹管的结构是没问题的，使用不锈钢来生产钠硫电池的外壳200时，很难加工出波纹管结构，另外一方面，这样的设计也不能从根本上消除电解质陶瓷管100所受到的应力，电解质陶瓷管100的底部和管口仍旧会开裂，因此必须考虑其它方式来分散电解质陶瓷管100所受到的应力。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池正极密封结构，其能够在钠硫电池降温过程中，从根本上消除电解质陶瓷管所受到的应力。
实现上述目的的一种技术方案是：一种钠硫电池正极密封结构，包括电解质陶瓷管和外壳，所述电解质陶瓷管的顶面上固定有一个径向向外突出的陶瓷绝缘环；其特征在于：
其还包括L形金属环、槽形金属环和顶部金属环；
所述L形金属环分为垂直段和水平段，所述水平段的顶面与所述陶瓷绝缘环的底面固定，所述垂直段的内侧面与所述陶瓷绝缘环的外侧面固定；所述垂直段的外侧面与所述外壳的内侧面分离，所述垂直段的顶面高于所述陶瓷绝缘环的顶面；
所述槽形金属环的底面高于所述陶瓷绝缘环的顶面，所述槽形金属环上设有内圈槽壁和外圈槽壁，所述内圈槽壁高于所述外圈槽壁，所述外圈槽壁的外侧面与所述L形金属环的垂直段的内侧面固定，且所述外圈槽壁的顶面与所述L形金属环的垂直段的顶面等高；
所述顶部金属环连接所述槽形金属环的内圈槽壁的外侧面和所述外壳的内侧面，所述顶部金属环的顶面与所述槽形金属环内圈槽壁的顶面以及所述外壳的顶面等高；所述顶部金属环的顶面上设有一个环形槽。
进一步的，沿所述陶瓷绝缘环底面的外缘设有倒台阶结构，所述L形金属环的水平段的顶面与所述倒台阶结构的底面固定。
进一步的，所述外壳的内侧面的顶部设有限位台阶结构，所述顶部金属环的底面以及外侧面与该限位台阶结构固定。
再进一步的，所述L形金属环与所述陶瓷绝缘环之间通过热压焊固定，所述L形金属环与所述槽形金属环之间、所述槽形金属环与所述顶部金属环之间，以及所述顶部金属环与所述外壳之间均通过焊接固定。
更进一步的，所述L形金属环与所述陶瓷绝缘环之间通过热压焊固定，所述L形金属环与所述槽形金属环之间、所述槽形金属环与所述顶部金属环之间，以及所述顶部金属环与所述外壳之间均通过焊接固定。
更进一步的，所述L形金属环的厚度d为0.3～1mm，且所述L形金属环的垂直段的顶面高于所述陶瓷绝缘环的顶面的高度h1为4-10mm。
还要进一步的，所述槽形金属环的外圈槽壁的高度h2为1.5～2.5mm。
采用了本发明的一种钠硫电池正极密封结构的技术方案，即通过在陶瓷绝缘环与外壳之间设置链式连接的L形金属环、槽形金属环和顶部金属环来封闭钠硫电池的正极室，并且L形金属环的垂直段的外侧面与外壳的内侧面分离的技术方案。其技术效果是：通过L形金属环、槽形金属环和顶部金属环的形变，可以有效吸收电解质陶瓷管所受到的应力，从而在钠硫电池降温维护的过程中，防止电解质陶瓷管底部和顶部的开裂，保护钠硫电池的安全运行。
附图说明
图1为现有技术的钠硫电池正极密封结构的结构示意图。
图2为本发明的一种钠硫电池正极密封结构的结构示意图。
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正极密封结构，包括电解质陶瓷管100和外壳200，电解质陶瓷管100的顶面上固定有一个径向向外突出的陶瓷绝缘环1；本发明的一种钠硫电池正极密封结构还包括L形金属环2、槽形金属环3和顶部金属环4。L形金属环2、槽形金属环3和顶部金属环4通过链式连接将电解质陶瓷管100的外侧面和外壳200的内侧面连接，以将位于电解质陶瓷管100和外壳200之间的正极室210封闭。
其中，陶瓷绝缘环1的底面，围绕陶瓷绝缘环1的外缘设有倒台阶结构11。
L形金属环2分为垂直段21和水平段22，水平段22的顶面与陶瓷绝缘环1的底面固定，或者说水平段22的顶面与陶瓷绝缘环1的倒台阶结构11的底面固定。垂直段21的内侧面与陶瓷绝缘环1的外侧面固定；垂直段21的外侧面与外壳200的内侧面分离，垂直段21的顶面高于陶瓷绝缘环1的顶面。
电解质陶瓷管100与陶瓷绝缘环1之间，陶瓷绝缘环1与L形金属环2之间均通过热压焊固定，由于热压焊所选用的焊料是纯铝，因此L形金属环2优选材料为纯铝或者铝合金。这是目前陶瓷与陶瓷之间，陶瓷与金属之间常用的固定方式。槽形金属环3和顶部金属环4的优选材料也为纯铝或铝合金。
槽形金属环3的开口向上，且槽型金属环3的底面高于陶瓷绝缘环1的顶面，即槽型金属环3的底面与陶瓷绝缘环1的顶面分离。槽形金属环3上设有内圈槽壁31和外圈槽壁32，而且内圈槽壁31高于外圈槽壁32。其中外圈槽壁32的外侧面与L形金属环2的垂直段21的内侧面通过焊接固定，优选的焊接方式为激光焊或者惰性气体钨极保护焊，以防止正极室210内的物料被污染。外圈槽壁32的顶面与L形金属环2的垂直段21的顶面是等高的，以方便槽型金属环3的外圈槽壁32与L形金属环2的垂直段21之间的焊接。
顶部金属环4连接槽形金属环3的内圈槽壁31外侧面的顶部和外壳200内侧面的顶部。顶部金属环4的内侧面与槽形金属环3的内圈槽壁31的外侧面通过焊接固定。外壳200内侧面的顶部，设有限位台阶结构201，顶部金属环4的外侧面与底面与该限位台阶结构201通过焊接固定，从而将钠硫电池的正极室210封闭。顶部金属环4与槽形金属环3的内圈槽壁31的外侧面之间，以及与外壳200的内侧面之间焊接固定，焊接的优选方式为激光焊或者惰性气体钨极保护焊，以防止正极室210内的物料被污染。
同时顶部金属环4的顶面与槽形金属环3内圈槽壁31的顶面以及外壳200的顶面是等高的，而且顶部金属环4的顶面上设有一个环形槽41，以便于顶部金属环4与槽型金属环3，顶部金属环4与外壳200之间的焊接。
通过在陶瓷绝缘环1与外壳200的内侧面之间设置链式连接L形金属环2、槽形金属环3和顶部金属环4，将位于电解质陶瓷管100与外壳200之间的正极室210封闭。这样的设计可以在钠硫电池降温过程中，将电解质陶瓷管100所受到的应力，通过陶瓷绝缘环1传递给L形金属环2、槽形金属环3和顶部金属环4，而L形金属环2、槽形金属环3和顶部金属环4通过形变，吸收电解质陶瓷管100所受到的应力，从而防止电解质陶瓷管100底部和顶部的开裂或出现微裂纹，保护钠硫电池的安全运行。
而陶瓷绝缘环1的底面设有倒台阶结构11的作用在于：防止由于陶瓷绝缘环1在承受陶瓷电解管100传递过来的应力时发生开裂，从而造成钠硫电池失效。
外壳200的内侧面的顶部设有限位台阶结构201的作用在于加强顶部金属环4与外壳200之间的焊接强度。
为了进一步保证钠硫电池的稳定运行，对于L形金属环2、槽形金属环3的尺寸也做出了具体的规定：
其中L形金属环2的厚度d为0.3～1mm，L形金属环2的厚度d低于0.3mm，则L形金属环2加工困难，力学性能较差，。厚度大于1mm，无法通过形变有效吸收电解质陶瓷管100所受到的应力，亦无法使槽形金属环3和顶部金属环4通过形变有效吸收电解质陶瓷管100所受到的应力造成陶瓷绝缘环1受到的残余应力加大，导致陶瓷绝缘环1开裂，钠硫电池失效。
L形金属环2的垂直段21的顶面高于陶瓷绝缘环1的顶面的高度h1为4-10mm。若L形金属环2的垂直段21的顶面高于陶瓷绝缘环1的顶面的高度h1小于4mm，钠硫电池容易短路，L形金属环2的垂直段21的顶面高于陶瓷绝缘环1的顶面的高度h1大于10mm，一会造成L形金属环2制造过程中的材料浪费，二不利于钠硫电池运行过程中的温度场。
槽形金属环3的外圈槽壁32的高度h2为1.5～2.5mm。槽形金属环3的外圈槽壁32的高度h2小于1.5mm，则槽形金属环3的外圈槽壁32与L形金属环2的垂直段21之间的焊接强度降低，槽形金属环3的外圈槽壁32的高度h2大于2.5mm，槽形金属环3的底面与陶瓷绝缘环1的顶面之间的距离减小，钠硫电池容易短路。
同时，陶瓷绝缘环1的顶面与钠硫电池的负极密封盖300之间通过负极密封环5连接，负极密封环5顶部的内侧面与负极密封盖300的侧壁通过激光焊固定，负极密封环5的底部设有一个凸缘52，凸缘52的底面与陶瓷绝缘环1的顶面通过热压焊固定。通陶瓷绝缘环1、L形金属环2、槽形金属环3和顶部金属环4的链式连接结构，也有利于将电解质陶瓷管100所受到的应力传递到负极密封环5上，通过负极密封环5的形变来吸收部分电解质陶瓷管100受到的应力。
为了防止陶瓷绝缘环1开裂，陶瓷绝缘环1的顶面上，沿陶瓷绝缘环1的顶面的内缘设有一个下凹台阶面12，负极密封环5的凸缘52的底面与该下凹台阶面12固定。
经检测，采用了本发明的一种钠硫电池正极密封结构的结构后，钠硫电池在经历二十次降温和升温后，其电解质陶瓷管100的底部和顶部仍旧保持完好而无任何破裂或微裂纹，确保钠硫电池的使用寿命可达10年以上。
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 (7)
1.一种钠硫电池正极密封结构，包括电解质陶瓷管(100)和外壳(200)，所述电解质陶瓷管(100)的顶面上固定有一个径向向外突出的陶瓷绝缘环(1)；其特征在于：
其还包括L形金属环(2)、槽形金属环(3)和顶部金属环(4)；
所述L形金属环(2)分为垂直段(21)和水平段(22)，所述水平段(22)的顶面与所述陶瓷绝缘环(1)的底面固定，所述垂直段(21)的内侧面与所述陶瓷绝缘环(1)的外侧面固定；所述垂直段(21)的外侧面与所述外壳(200)的内侧面分离，所述垂直段(21)的顶面高于所述陶瓷绝缘环(1)的顶面；
所述槽形金属环(3)的底面高于所述陶瓷绝缘环(1)的顶面，所述槽形金属环(3)上设有内圈槽壁(31)和外圈槽壁(32)，所述内圈槽壁(31)高于所述外圈槽壁(32)，所述外圈槽壁(32)的外侧面与所述L形金属环(2)的垂直段(21)的内侧面固定，且所述外圈槽壁(32)的顶面与所述L形金属环(2)的垂直段(21)的顶面等高；
所述顶部金属环(4)连接所述槽形金属环(3)的内圈槽壁(31)的外侧面和所述外壳(200)的内侧面，所述顶部金属环(4)的顶面与所述槽形金属环(3)内圈槽壁(31)的顶面以及所述外壳(200)的顶面等高；所述顶部金属环(4)的顶面上设有一个环形槽(41)。
2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池正极密封结构，其特征在于：沿所述陶瓷绝缘环(1)底面的外缘设有倒台阶结构(11)，所述L形金属环(2)的水平段(22)的顶面与所述倒台阶结构(11)的底面固定。
3.根据权利要求1所述的一种钠硫电池正极密封结构，其特征在于：所述外壳(200)的内侧面的顶部设有限位台阶结构(201)，所述顶部金属环(4)的底面以及外侧面与该限位台阶结构(201)固定。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的一种钠硫电池正极密封结构，其特征在于：所述L形金属环(2)与所述陶瓷绝缘环(1)之间通过热压焊固定，所述L形金属环(2)与所述槽形金属环(3)之间、所述槽形金属环(3)与所述顶部金属环(4)之间，以及所述顶部金属环(4)与所述外壳(200)之间均通过焊接固定。
5.根据权利要求4中任意一项所述的一种钠硫电池正极密封结构，其特征在于：所述L形金属环(2)与所述槽形金属环(3)之间、所述槽形金属环(3)与所述顶部金属环(4)之间，以及所述顶部金属环(4)与所述外壳(200)之间均通过激光焊或者惰性气体钨极保护焊固定。
6.根据权利要求4所述的一种钠硫电池正极密封结构，其特征在于：所述L形金属环(2)的厚度d为0.3～1mm，且所述L形金属环(2)的垂直段(21)的顶面高于所述陶瓷绝缘环(1)的顶面的高度h1为4-10mm。
7.根据权利要求6所述的一种钠硫电池正极密封结构，其特征在于：所述槽形金属环(3)的外圈槽壁(32)的高度h2为1.5～2.5mm。
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