CN104051798A - 一种钠硫电池 - Google Patents

Abstract

本发明公开了化学储能领域的一种钠硫电池，包括从外向内依次套接的外壳、固体电解质陶瓷管、储钠管,以及将所述储钠管顶部封闭的顶部密封盖，所述外壳与所述固体电解质陶瓷管之间形成正极室，所述储钠管与所述固体电解质陶瓷管之间形成负极室，所述外壳的外圆周上固定有一根竖直方向的集流柱，所述集流柱的顶面上固定有正极极耳，所述正极极耳为一个块状导电体，其顶面上设有用于固定电池连接件的正极固定装置，所述正极极耳与所述外壳的外圆周之间留有间隙，所述正极极耳和所述集流柱的电阻率均小于所述外壳的电阻率；所述顶部密封盖顶面中心设有凸台，所述凸台顶面的中心设有可供电池连接件套接的负极极耳，以及位于所述负极极耳上，用于固定电池连接件的负极固定装置。

Description

一种钠硫电池

技术领域

本发明涉及化学储能领域的一种钠硫电池。

背景技术

现有的钠硫电池外壳采用不锈钢或者铝、铝合金材料。外壳除作为活性物质硫以及多硫化钠的储存场所，兼做正极集流体。如采用不锈钢作为钠硫电池外壳材料，由于不锈钢的电阻率较高，约是铝的30倍，钠硫电池通过大电流时，电池自上而下的电流密度分布极不均匀，不仅造成电池内阻增加，而且影响电池的循环寿命。

钠硫电池负极集流体采用不锈钢片作为负极极耳，负极极耳的水平截面的截面面积小，电阻大，电池长期工作时，负极极耳容易因发热断裂。

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，其能够有效降低钠硫电池与电池连接件之间的接触电阻，在有大电流通过时，其自上而下的电流密度均匀分布，从而有效降低其内阻，钠硫电池过流能力强，使用寿命长。

实现上述目的的一种技术方案是：一种钠硫电池，包括从外向内依次套接的外壳、固体电解质陶瓷管、储钠管,以及将所述储钠管顶部封闭的顶部密封盖，所述外壳与所述固体电解质陶瓷管之间形成正极室，所述储钠管与所述固体电解质陶瓷管之间形成负极室，所述固体电解质陶瓷管的顶面上设有绝缘环，所述正极室通过位于所述绝缘环和所述外壳之间的正极密封环封闭，所述负极室通过连接所述绝缘环顶面和所述顶部密封盖的负极密封环封闭；

所述外壳的外圆周上固定有一根竖直方向的集流柱，所述集流柱的顶面上固定有正极极耳，所述正极极耳为一个块状导电体，其顶面上设有用于固定电池连接件的正极固定装置，所述正极极耳与所述外壳的外圆周之间留有间隙，所述正极极耳和所述集流柱的电阻率均小于所述外壳的电阻率；

所述顶部密封盖顶面中心设有凸台，所述凸台顶面上的中心设有可供电池连接件套接的，与所述凸台的顶面垂直的负极极耳，以及位于所述负极极耳上，用于固定电池连接件的负极固定装置。

进一步的，所述集流柱是通过点焊焊接固定在所述外壳的外圆周上的。

再进一步的，所述集流柱与所述外壳外圆周之间，点焊焊接的工艺为氩弧焊或者激光焊。

进一步的，所述正极固定装置由位于所述正极极耳顶面上的下沉式内螺纹，以及与所述下沉式内螺纹相配的螺栓组成。

进一步的，所述正极极耳与所述集流柱的顶面之间通过冷压焊接固定。

进一步的，所述正极极耳的底面分为位于靠近所述外壳一侧的水平的焊接面和远离所述外壳一侧的，向上倾斜的坡面，所述焊接面与所述集流柱的顶面通过冷压焊接固定，所述坡面与焊接面之间呈钝角。

进一步的，所述集流柱为直径1mm的镍棒或者镍合金棒。

进一步的，所述负极极耳与所述凸台是一体的，所述凸台通过焊接固定在所述顶部密封盖的顶面上。

进一步的，所述负极极耳为圆柱体，所述负极固定装置由位于所述负极极耳外圆周底部的外螺纹，以及与所述外螺纹相匹配的螺帽组成。

再进一步的，所述外螺纹的直径为10mm。

采用了本发明的一种钠硫电池的技术方案，即在外壳的外圆周上固定有一根与竖直方向平行的集流柱，所述集流柱的顶面上固定正极极耳，所述正极极耳为一个块状导电体，顶面上设有用于固定电池连接件的正极固定装置，所述正极极耳与所述外壳的外圆周之间留有间隙，所述正极极耳和所述集流柱的电阻率均小于所述外壳的电阻率，顶部密封盖顶面中心设有凸台，所述凸台顶面上的中心设有可供电池连接件套接的，与所述凸台顶面垂直的负极极耳，所述负极极耳上设有用于固定电池连接件的负极固定装置的钠硫电池的技术方案。其技术效果是：钠硫电池的正极极耳以及负极极耳与电池连接件之间的接触面积大，接触电阻低，在有大电流通过时，钠硫电池自上而下的电流密度均匀分布，使钠硫电池的内阻降低，过流能力增强，使用寿命得以延长。

附图说明

图1为本发明的一种钠硫电池的结构示意图。

图2为本发明的一种钠硫电池的正极集流体的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图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1，钠硫电池包括从外依次向内套接的外壳1、固体电解质陶瓷管4和储钠管5，以及正极密封环13、负极密封环14和位于固体电解质陶瓷管4顶面上的绝缘环12。其中，外壳1的底部设有底部密封盖11。外壳1、固体电解质陶瓷管4和底部密封盖11之间形成正极室a，正极密封环13在外壳1和绝缘环12径向之间将正极室a封闭。正极室a内装有石墨毡(图1中未显示)，钠硫电池的正极反应材料，硫或多硫化钠一般填充在位于外壳1和固体电解质陶瓷管4之间的石墨毡中。负极密封环14位于绝缘环12的顶面上，储钠管5、固体电解质陶瓷管4、绝缘环12和负极密封环14围成钠硫电池的负极室b。负极室b内始终充满液态金属钠，液态金属钠是钠硫电池的负极反应物。储钠管5存储液态金属钠，并向负极室b输送液态金属钠。储钠管5的顶部设有顶部密封盖6，将储钠管4的顶部封闭，顶部密封盖6的外圆周与负极密封环14焊接固定，从而将负极室b和储钠管5的顶部封闭。负极室b内始终充满液态金属钠，从而使顶部密封盖6的底面始终与负极室b内的液态金属钠的液面接触。上述都是钠硫电池的惯常设计。

钠硫电池上一般设有正极集流体和负极集流体。任意一个钠硫电池的正极集流体均可通过电池连接件9，比如导线、连接排等，连接相邻钠硫电池的负极集流体，从而将若干个钠硫电池连接成为钠硫电池组。

本发明中，对钠硫电池的正极集流体和负极集流体进行了改进。

请参阅图2，本发明的一种钠硫电池中，正极集流体除了包括外壳1、还包括集流柱2和正极极耳3。其中外壳1采用耐腐蚀的奥氏体不锈钢，以满足钠硫电池长期使用的需要。

集流柱2以点焊焊接的方式，沿着竖直方向，固定在外壳1的外圆周上。点焊焊接的焊接工艺可采用激光焊接、氩弧焊等焊接工艺，以保证集流柱2与外壳1之间的导电性。同时，集流柱2的电阻率小于外壳1的电阻率。当然，外壳1和集流柱2也可通过除点焊焊接以外的其它方式固定，但前提条件是必须保证外壳1与集流柱2之间的导电性。

正极极耳3为一块状导电体，固定在集流柱2的顶面上。本实施例中，正极极耳3与集流柱2之间通过过冷压焊接固定。当然，正极极耳3与集流柱2也可以通过其它方式固定，但前提条件是必须保证正极极耳3与集流柱2之间的导电性，以及正极极耳3与外壳1之间的绝缘性，即正极极耳3与外壳1之间不能直接导电，而必须通过集流柱2实现导电。本实施例中，正极极耳3与外壳1之间的绝缘方法为：正极极耳3与外壳1之间是分离的，即正极极耳3与外壳1的外圆周之间留有间隙。正极极耳3与集流柱2之间通过过冷压焊接固定的目的就在于保证正极极耳3只与集流柱2固定的同时,与外壳1之间产生足够的间隙而绝缘。

通过在外壳1的外圆周上固定竖直方向的集流柱2，在集流柱2的顶面上固定正极极耳3，并使正极极耳3与外壳1之间绝缘。这样，能够在大电流通过钠硫电池时，都必须通过集流柱2，而不是直接流经外壳1，因此正极集流体中，起到集流作用的是集流柱2而不是外壳1。因此大电流主要在集流柱2上。由于集流柱2的电阻率小于外壳1的电阻率，钠硫电池的过流能力增强，因此可以保证钠硫电池内部，自上而下的电流密度均匀分布，降低钠硫电池的内阻，保证钠硫电池的循环寿命。

正极极耳3的顶面上，设有用于将电池连接件9固定在正极极耳3顶面上的正极固定装置。本实施例中，正极固定装置由位于正极极耳3顶面上的下沉式内螺纹31，以及与下沉式内螺纹31相配的螺栓32组成。电池连接件9通过螺栓32和下沉式内螺纹31，固定在正极极耳3的顶面上，并与正极极耳3的顶面，以及螺栓32的外圆周相接触，以使正极极耳3和电池连接件9之间能够导电。下沉式内螺纹31的直径优选直径10mm，小于10mm，电池连接件9与正极极耳3之间的连接强度不够，电池连接件9与正极极耳3，以及螺栓32之间的接触面积小，接触电阻大，直径大于10mm，电池连接件9与正极极耳3之间的连接强度过大，影响单体钠硫电池封接强度，比如正极极耳3与集流柱2之间的连接强度，以及集流柱2与外壳之间的连接强度。

本实施例中，为了防止钠硫电池发生正负极短路，正极极耳3的顶面高于外壳1的顶面。

本实施例中，集流柱2采用的是直径为1mm的镍棒或者镍合金棒，采用镍棒或者镍合金棒的原因一方面在于：镍棒或者镍合金棒的电阻率小于奥氏体不锈钢的电阻率，便于集流柱2的集流。另外一方面，镍棒或者镍合金棒容易与奥氏体不锈钢制成的外壳1焊接并固定。采用直径为1mm的镍棒或者镍合金棒，原因在于：镍棒或者镍合金棒直径过小，将造成钠硫电池内阻的升高，镍棒或者镍合金棒直径过大，造成制造成本上升以及浪费。当然，镍棒或者镍合金棒的截面形状也可以是其他形状，比如矩形等。

本实施例中，集流柱2与外壳1的外圆周之间，任意两个相邻的点焊焊接的焊接点之间的间距为10mm。这样设计的目的在于：任意两个相邻的点焊焊接的焊接点之间的间距过大，集流柱2与外壳1之间的连接强度不够，集流柱2易与正极极耳3分离；反之，可能造成焊接时热影响区域增加。

正极极耳3采用铝合金材质，尤其可选用硬度高，耐高温的铜铝合金，选用铜铝合金的目的在于:铜铝合金强度高，可以防止正极极耳3在使用过程中断裂，同时，铜铝合金的导电性好，可以保证大电流的过流，从而保证钠硫电池内部，自上而下的电流密度均匀分布。

同时，正极极耳3的底面分为位于靠近外壳1一侧的水平的焊接面33和远离外壳1一侧的向上倾斜的坡面34，焊接面33用于与集流柱2的顶面进行冷压焊接，坡面34与焊接面33之间呈钝角。这样设计的目的在于：保证正极极耳3的底面与集流柱2的顶面焊接后，重心保持稳定，从而防止正极极耳3从集流柱2的顶面脱落。

负极集流体除了用于将钠硫电池的负极室b和储钠管5封闭的顶部密封盖6以外，还包括凸台7和负极极耳8，以及位于负极极耳8上，用于将电池连接件9固定的负极固定装置。其中凸台7位于顶部密封盖6顶面的中心，负极极耳8位于凸台7顶面的中心，并与凸台7的顶面垂直。凸台7的作用在于：钠硫电池通过电池连接件9连接成为钠硫电池组以后，防止单个钠硫电池发生正负极的短路。本实施例中，凸台7的高度为3～7mm，如若凸台7的高度大于7mm，将造成钠硫电池的内阻增加和成本的上升，高度小于3mm，钠硫电池通过电池连接件连接成为钠硫电池组以后，防止单个钠硫电池发生正负极的短路的效果将打折扣。同时凸台7的顶面与正极极耳3的顶面是等高的。

本实施例中，负极极耳8与凸台7是一体的，凸台7通过焊接固定在顶部密封盖6的顶面上，以保证负极集流体的导电性。为了便于凸台7与顶部密封盖6的焊接，负极极耳8、凸台7与顶部密封盖6都是由不锈钢制成的。

本实施例中，负极极耳8的形状为圆柱体，以方便电池连接件9的套接，使电池连接件9与负极极耳8之间形成圆周接触，以增加负极极耳8与电池连接件9之间的接触面积，以减小负极极耳8与电池连接件9之间的接触电阻。将负极极耳8的形状设计为圆柱体的另外一个目底在于：相比于现有技术中采用在顶部密封盖6的顶面上焊接不锈钢片作为负极极耳8，负极极耳8的截面面积增大，负极极耳8的电阻减小，负极集流体的过流能力增强，钠硫电池长期工作时，负极极耳8也不会因发热而断裂。

由于负极极耳8设计成为圆柱体，用于将电池连接件9固定的负极固定装置可由位于负极极耳8底部的外螺纹81，以及与外螺纹81相匹配的螺帽82组成，通过外螺纹81与螺帽82的配合，电池连接件9固定在凸台7的顶面上。由于电池连接件9的套接，与负极极耳8之间形成圆周接触的同时，电池连接件9的顶面与螺帽82的底面形成面接触，电池连接件9的底面与凸台7的顶面形成面接触，因此负极集流体与电池连接件9之间的接触面积增加，减小了负极集流体与电池连接件9之间的接触电阻，增加钠硫电池的过流能力。

本实施例中，外螺纹81的直径优选直径10mm，外螺纹81的直径小于10mm，电池连接件9与负极极耳8之间的连接强度不够，接触面积小，接触电阻大。外螺纹81的直径大于10mm，电池连接件9与负极极耳8之间的连接强度过大，影响单体电池封接强度，尤其是顶部密封盖6与负极密封环14之间的连接强度。

当然负极极耳8也可以是水平截面为其它形状的柱状体，比如棱柱体，椭圆柱体等，也能起到增加负极极耳8与电池连接件9之间的接触面积，以减小负极极耳8与电池连接件9之间的接触电阻，增大负极极耳8的水平截面的截面面积，减小负极极耳8的电阻，增强负极集流体的过流能力，防止负极极耳8因发热而断裂的技术效果。

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 (10)

1.一种钠硫电池，包括从外向内依次套接的外壳、固体电解质陶瓷管、储钠管,以及将所述储钠管顶部封闭的顶部密封盖，所述外壳与所述固体电解质陶瓷管之间形成正极室，所述储钠管与所述固体电解质陶瓷管之间形成负极室，所述固体电解质陶瓷管的顶面上设有绝缘环，所述正极室通过位于所述绝缘环和所述外壳之间的正极密封环封闭，所述负极室通过连接所述绝缘环顶面和所述顶部密封盖的负极密封环封闭，其特征在于：

所述外壳的外圆周上固定有一根竖直方向的集流柱，所述集流柱的顶面上固定有正极极耳，所述正极极耳为一个块状导电体，其顶面上设有用于固定电池连接件的正极固定装置，所述正极极耳与所述外壳的外圆周之间留有间隙，所述正极极耳和所述集流柱的电阻率均小于所述外壳的电阻率；

所述顶部密封盖顶面中心设有凸台，所述凸台顶面上的中心设有可供电池连接件套接的，与所述凸台的顶面垂直的负极极耳，以及位于所述负极极耳上，用于固定电池连接件的负极固定装置。

2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述集流柱是通过点焊焊接固定在所述外壳的外圆周上的。

3.根据权利要求2所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述集流柱与所述外壳外圆周之间，点焊焊接的工艺为氩弧焊或者激光焊。

4.根据权利要求1所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述正极固定装置由位于所述正极极耳顶面上的下沉式内螺纹，以及与所述下沉式内螺纹相配的螺栓组成。

5.根据权利要求1所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述正极极耳与所述集流柱的顶面之间通过冷压焊接固定。

6.根据权利要求1所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述正极极耳的底面分为位于靠近所述外壳一侧的水平的焊接面和远离所述外壳一侧的，向上倾斜的坡面，所述焊接面与所述集流柱的顶面通过冷压焊接固定，所述坡面与焊接面之间呈钝角。

7.根据权利要求1所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述集流柱为直径1mm的镍棒或者镍合金棒。

8.根据权利要求1所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述负极极耳与所述凸台是一体的，所述凸台通过焊接固定在所述顶部密封盖的顶面上。

9.根据权利要求1所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述负极极耳为圆柱体，所述负极固定装置由位于所述负极极耳外圆周底部的外螺纹，以及与所述外螺纹相匹配的螺母组成。

10.根据权利要求9所述的一种钠硫电池，其特征在于：所述外螺纹的直径为10mm。