CN105405993B - 一种平板型结构的钠镍电池储能模块以及钠镍电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种平板型结构的钠镍电池储能模块，由两块电流导出板、两块中空的密封件A、两块中空的密封件B、两块电解质片、内部连接板，以及电极熔融物质输入管道组成；两块电流导出板、两块电解质片、两块密封件B以及内部连接板的边缘设置穿孔，形成电极熔融物质可流通的穿孔通道，电极熔融物质经输入管道输入后充盈在所述穿孔通道、第一阳极腔与第二阴极腔中。该钠镍电池储能模块具有制造工艺简单、易密封、体积集成最优化等优点，能够扩展为电池组，能够兼顾电池能量密度与功率密度。

Description

一种平板型结构的钠镍电池储能模块以及钠镍电池组
技术领域
本发明涉及钠-金属氯化物电池技术领域，具体涉及一种板型结构的钠镍电池储能模块以及钠镍电池组。
背景技术
钠镍储能单体电池的存储能力有限，在实际应用中需要集成为大规模的电池组。目前，钠镍储能单体电池通常为管式结构，其大规模的储能主要通过单体管式集合而成。管式储能电池的特点是密封区域少，相对而言工艺简单。然而，管式结构的不足是电池电解质无法做薄，单体电池体积受限，从而影响能量密度；单体电池间空隙较大，集合而成电池组时，体积能量密度受影响较大。另外，管式结构的电池制作难度大。因此，为了降低成本，提高储能性能，近年来，板式结构得到了发展。
与管式相比，板式结构中电解质的厚度降低，当电解质厚度从1.5mm降低到200μm，在同等条件下板式结构的工作温度可降低上百摄氏度，并且电解质电阻降低数倍。板式结构单电池集成为电池组存在若干方法，其中一种方法是申请号为CN201510078221.5的中国专利文献中采用的将两个片式组合形成类似三明治结构的平管式单体电池，再由单体电池堆叠形成电池组。这种方法最大的优势是具备了板式与管式的共性特点。然而，不足之处是两片板式组合成平管式电池时需要一定的高温烧结密封以及后续的陶瓷金属化密封工艺，工艺复杂。不仅如此，当多个平管式单体电池合成电池组时，与管式电池类似，电池之间不可避免存有空间，无形之中增大了电池组的体积，从而影响了电池组的体积能量密度。
发明内容
针对上述技术现状，本发明旨在提供一种集成平板型结构的钠镍电池储能模块，具有制造工艺简单、易密封、体积集成最优化等优点。
为了实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：
一种平板型结构的钠镍电池储能模块，由上、下电流导出板、中空的密封件A、中空的密封件B、电解质片，以及用于输送电极熔融物质的输入管道组成；
从左到右方向，依次紧密排列着上电流导出板、密封件A、电解质片、密封件B、下电流导出板；
上电流导出板与电解质片形成阴极腔，密封件A用于密封上电流导出板与电解质片边缘的空隙；
电解质片与下电流导出板形成阳极腔，密封件B用于密封电解质片与下电流导出板边缘的空隙；
上电流导出板、电解质片、密封件B，以及下电流导出板的边缘设置穿孔，形成电极熔融物质可流通的穿孔通道，并且所述穿孔通道穿过密封件A的中空部；
输入管道的一开口端连接上电流导出板的穿孔，电极熔融物质经输入管道的另一开口端输入后充盈在所述穿孔通道与阴极腔中。
所述的电解质片材料包括但不限于β"-Al2O3等。作为优选，所述的电解质片的厚度≤1.5mm。
所述的阴极熔融物质是将阴极活性材料等熔融在阴极电解液中形成的熔融体。阴极活性材料包括金属单质(如Ni等)与NaCl等，阴极电解液包括NaAlCl4等。另外，所述的熔融体中还可以包括其他添加剂，例如氟化钠、碘化钠、铝粉、铁粉、硫化锌、硫化亚铁等。
所述的上、下电流导出板主要用于充放电时的电子输入与放出，其材料包括但不限于不锈钢等，可采用蚀刻或机械加工形成。所述的上、下电流导出板的厚度可调，如0.5～2.5mm等。所述的上、下电流导出板的板面形貌不限，包括平面、凹凸面、各类多孔表面等。作为优选，所述的上、下电流导出板的板面为凹凸点面或凹凸条纹形状表面等，以增大板面的表面积，有利于改善阴极熔融物质与上电流导出板面的浸润性，使其均匀分布流动，提高电池循环性能，同时又能在充放电时用作电子收集。
所述的密封件A材料不限，包括耐高温的高分子、石墨、玻璃等。作为优选，其使用温度≤350℃。
所述的密封件B材料不限，包括耐高温的高分子、石墨、玻璃等。作为优选，其使用温度≤350℃。
所述的输入管道为金属材料，如各类耐高温耐腐蚀不锈钢等。
所述的密封件A、B与各部件之间的密封，可以通过压力紧固的方式。当所述的密封件A、B材料为耐高温材料时，也可以通过高温烧结的方法进行真空密封，具体是将电池储能模块放入高温炉进行加热，使耐高温材料充分润湿，随后降低到室温，从而形成界面的润湿结合密封。作为优选，还在电池储能模块外围采用耐高温材料进行密封包装，进一步形成外围保护，避免氧化气体进入电极中。
在实际应用中，可以将N(N≥1)个本发明的平板型结构钠镍电池储能模块，即第一储能模块、第二储能模块……第N储能模块串联集成在一起构成电池组。集成时，第一储能模块、第二储能模块……第N储能模块自左向右依次连接在一起，并且当N≥2时，省去第n(1≤n≤N-1)储能模块中的下电流导出板，同时使第n+1储能模块中的上电流导出板作为第n个内部连接板，使各模块中的穿孔通道连通。
作为优选，所述的电池组还设置上下盖板、两块绝缘板(上绝缘板与下绝缘板)与两块中空的密封件B(上密封件B与下密封件B)。
上盖板位于第一储能模块中的上电流导出板左侧，二者之间设置上绝缘板，上盖板与上绝缘板之间设置上密封件B，用于密封上盖板与上绝缘板边缘的空隙；上绝缘板与第一储能模块中的上电流导出板之间设置上密封件B，用于密封上绝缘板与第一储能模块中的上电流导出板边缘的空隙。
下盖板位于第N储能模块中的下电流导出板右侧，二者之间设置下绝缘板，下盖板与下绝缘板之间设置下密封件B，用于密封下盖板与下绝缘板边缘的空隙；下绝缘板与第N储能模块中的下电流导出板之间设置下密封件B，用于密封下绝缘板与第N储能模块中的下电流导出板边缘的空隙。
并且，上下盖板、上绝缘板与下绝缘板、上密封件B与下密封件B的边缘设置穿孔，与所述N块储能模块中的穿孔通道共同形成电极熔融物质可流通的通道。输入管道的一开口端连接上盖板的穿孔，电极熔融物质经输入管道的另一开口端输入。
所述的上、下盖板为金属材料，如各类耐高温耐腐蚀不锈钢等。
所述的上、下绝缘板材料不限，优选采用耐高温的高分子材料或陶瓷。
所述的上、下密封件B材料不限，包括耐高温的高分子、石墨、玻璃等。作为优选，其使用温度≤350℃。
所述的上、下盖板分别设置通孔，固定柱螺栓一端通过该两通孔，用以紧固电池组。所述的固定柱螺栓可采用耐高温的高分子、金属或者陶瓷等制成。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
(1)采用类似高温燃料电池板式结构电池的结构，首先，电解质可超薄到0.2mm甚至以下，超薄的电解质片其离子传导特性将得到最大的发挥，提高能量密度。其次，采用超薄电解质片组合电池组，电池之间存在的空间间隔可达到最小，体积能量密度有望进一步提高；
(2)采用板式结构进行非烧结的压力密封，密封难度与工艺大幅度简化，同时电池组出现某一单体电池不工作时，其他工作的电池能够实现可拆卸的重复利用；
(3)制造工艺简单易实现，电池部件可拆卸多次重复使用，适合大容量储能的系统集成；可兼顾电池能量密度与功率密度，较好地实现电池能量密度与功率密度的平衡；
(4)可根据使用要求，任意集成所需电压容量大小的电池组。
附图说明
图1是本发明实施例1中平板型结构钠-氯化镍电池组的结构示意图；
图2是图1中的电池储能模块的结构示意图；
图3是图1中上下导流板的结构示意图；
图4是图1中密封件A的结构示意图；
图5是图1中密封件B的结构示意图；
图6是图1中电解质片结构示意图。
具体实施方案
以下参照具体的附图与实施例来说明本发明。本领域技术人员可以理解，这些实施例仅用于说明此发明，其不以任何方式限制本发明的范围。
图1至图6中的附图标记为：1、输入管道；2、上盖板；3、上绝缘板；4、上电流导出板；5、密封件A；6、密封件B；63、第一上密封件B；64、第二上密封件B；65、下密封件B；7、下电流导出板；8、电解质片；9、固定螺栓；10、下绝缘板；11、下盖板；12、输出管道；13、穿孔；14、通孔。
实施例1：
本实施例中，平板型结构钠镍电池组的结构示意图如图1所示，包括第一储能模块、第二储能模块……第N储能模块。自左向右，第一储能模块、第二储能模块……第N储能模块依次串联集成在一起。
其中，各储能模块结构相同，其结构示意图如图2所示，从左到右方向，依次紧密排列着上电流导出板4、密封件A5、电解质片8、密封件B6，以及下电流导出板7(当N≥2时，第n(1≤n≤N-1)储能模块中的下电流导出板7可省去，使第n+1储能模块中的上电流导出板作为第n个内部连接板)。
上电流导出板4与电解质片8形成阴极腔，密封件A5用于密封上电流导出板4与电解质片8边缘的空隙。
电解质片8与内部连接板7形成阳极腔，密封件B6用于密封电解质片8与内部连接板7边缘的空隙。
电解质片材料为β"-Al2O3，电解质片的厚度≤1.5mm。电解质片的结构示意图如图6所示，呈正方形，边缘设置两个独立的穿孔13。
上、下电流导出板主要用于充放电时的电子输入与放出，其材料为耐腐蚀的不锈钢等，可采用蚀刻或机械加工形成。上、下电流导出板的右视图如图3所示，其板面形貌呈多圆孔凹凸面，有利于增大板面的表面积，改善阴极熔融物质与上电流导出板面的浸润性，使其均匀分布流动，提高电池循环性能，同时又能在充放电时用作电子收集。另外，如图3所示，上、下电流导出板的边缘设置两个独立的穿孔13。
密封件A5的结构示意图如图4所示，呈中空的正方形，其材料可以是耐高温的高分子、石墨、玻璃等。
密封件A6的结构示意图如图5所示，呈中空的方形结构，其边缘设置两个独立的穿孔13。该密封件A6的材料可以是耐高温的高分子、石墨、玻璃等。
上电流导出板4、电解质片8、密封件B6以及内部连接板7边缘的穿孔13形成电极熔融物质可流通的穿孔通道一与穿孔通道二，并且该穿孔通道一与穿孔通道二穿过密封件A51的中空部。
当N≥2时，省去第n(1≤n≤N-1)储能模块中的下电流导出板7，即第n+1储能模块中的上电流导出板作为第n内部连接板，使各模块中的穿孔通道一连通，穿孔通道二连通。
该平板型结构钠镍电池组还设置上盖板2、下盖板11、上绝缘板3、下绝缘板10、第一上密封件B63，以及第二上密封件B64。
上盖板2位于第一储能模块中的上电流导出板4左侧，二者之间设置上绝缘板3，上盖板2与上绝缘板3之间设置第一上密封件B63，用于密封上盖板2与上绝缘板3边缘的空隙。上绝缘板3与第一储能模块中的上电流导出板4之间设置第二上密封件B64，用于密封上绝缘板3与第一储能模块中的上电流导出板4边缘的空隙。
下盖板11位于第N储能模块中的下电流导出板7右侧，二者之间设置下绝缘板10；下绝缘板10与第N储能模块中的下电流导出板之间设置下密封件B65，用于密封下绝缘板10与第N储能模块中的下电流导出板边缘的空隙。
并且，上盖板2、下盖板11、上绝缘板3、下绝缘板10、第一上密封件B63、第二上密封件B64、下密封件B65的边缘分别设置两个独立的穿孔13，与所述N块储能模块中的穿孔通道一共同形成电极熔融物质可流通的通道一，与所述N块储能模块中的穿孔通道二共同形成电极熔融物质可流通的通道二。
该平板型结构钠镍电池组还设置输入管道1与输出管道12。输入管道1的一开口端连接上盖板2的一个穿孔13。工作状态时，通过该输入管道1首先抽真空，然后电极熔融物质经输入管道1的另一开口端输入，电极熔融物质经输入管道的另一开口端输入后充盈在所述穿孔通道一以及各储能模块的阴极腔中。输出管道13的一开口端连接上盖板2的另一穿孔13，工作状态时，电极熔融物质流经穿孔通道二，然后经输出管道13的另一开口端输出。
阴极熔融物质是将阴极活性材料等熔融在阴极电解液中形成的熔融体。阴极活性材料包括金属单质(如Ni等)与NaCl等，阴极电解液包括NaAlCl4等。另外，所述的熔融体中还可以包括其他添加剂，例如氟化钠、碘化钠、铝粉、铁粉、硫化锌、硫化亚铁等。
上盖板2与下盖板11为耐高温耐腐蚀不锈钢。上绝缘板3、下绝缘板10采用耐高温的高分子材料。
第一上密封件B63、第二上密封件B64、下密封件B65的材料为耐高温的高分子、石墨、玻璃等，其使用温度≤350℃。
上盖板2与下盖板11分别设置通孔14，固定柱螺栓9通过该两通孔14，用以紧固电池组。该固定柱螺栓9采用耐高温的高分子、金属或者陶瓷等制成。
第一密封件A61、第二密封件A52、第一密封件B61、第二密封件B62、第一上密封件B63、第二上密封件B64以及下密封件B65与各部件之间的密封可以通过压力紧固的方式，也可以通过高温烧结的方法进行真空密封，具体是将该电池组放入高温炉进行加热，使耐高温材料充分润湿，随后降低到室温，从而形成界面的润湿结合密封。为了进一步形成外围保护，避免氧化气体进入电极中，还优选在电池储能模块外围采用耐高温材料进行密封包装。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明。凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或有限的实验可以得到的技术方案，皆应在有权利要求书所确定的保护范围。

Claims (14)

1.一种平板型结构的钠镍电池储能模块，由上、下电流导出板、第一密封件A、第二密封件A、第一密封件B、第二密封件B、第一电解质片、第二电解质片、内部连接板，以及电极熔融物质输入管道组成；
从左到右方向，依次紧密排列着上电流导出板、第一密封件A、第一电解质片、第一密封件B、内部连接板、第二密封件A、第二电解质片、第二密封件B、下电流导出板；
上电流导出板与第一电解质片形成第一阴极腔，第一密封件A用于密封上电流导出板与第一电解质片边缘的空隙；
第一电解质片与内部连接板形成第一阳极腔，第一密封件B用于密封第一电解质片与内部连接板边缘的空隙；
内部连接板与第二电解质片形成第二阴极腔，第二密封件A用于密封内部连接板与第二电解质片边缘的空隙；
第二电解质片与下电流导出板形成第二阳极腔，第二密封件B用于密封第二电解质片与下电流导出板边缘的空隙；
上电流导出板、第一电解质片、第一密封件B、内部连接板、第二电解质片、第二密封件B的边缘设置穿孔，形成电极熔融物质可流通的穿孔通道，并且所述穿孔通道穿过第一密封件A与第二密封件A的中空部；
输入管道的一开口端连接上电流导出板的穿孔，电极熔融物质经输入管道的另一开口端输入后充盈在所述穿孔通道、第一阴极腔与第二阴极腔中；
阴极熔融物质是将阴极活性材料熔融在阴极电解液中形成的熔融体，阴极活性材料包括金属单质与NaCl，阴极电解液包括NaAlCl4。
2.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的电解质片材料包括β"-Al2O3。
3.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的电解质片的厚度≤1.5mm。
4.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的熔融体中还包括添加剂氟化钠、碘化钠、铝粉、铁粉、硫化锌或者硫化亚铁。
5.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的上、下电流导出板材料包括不锈钢耐腐蚀金属。
6.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的上、下电流导出板的板面为凹凸点面或者凹凸条状形状表面。
7.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的内部连接板的材料包括不锈钢耐腐金属。
8.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的内部连接板的板面为凹凸点面或者凹凸条状形状。
9.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的密封件A材料为耐高温的高分子、石墨或者玻璃；
所述的密封件B材料为耐高温的高分子、石墨或者玻璃。
10.如权利要求1所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的输入管道为耐高温耐腐蚀的金属材料。
11.如权利要求1至10中任一权利要求所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，其特征是：所述的密封件A、B与各部件之间通过压力紧固的方式密封；或者，当所述的密封件A、B材料为耐高温材料时，通过高温烧结的方法进行真空密封。
12.一种平板型结构的钠镍电池组，其特征是：包括N块权利要求1至10中任一权利要求所述的平板型结构的钠镍电池储能模块，该N块平板型结构钠镍电池储能模块自左向右依次连接在一起，并且当N≥2时，省去第n储能模块中的下电流导出板，即第n+1储能模块中的上电流导出板同时作为第n储能模块中的下电流导出板，使各模块中的穿孔通道连通，其中1≤n≤N-1。
13.如权利要求12所述的平板型结构的钠镍电池组，其特征是：所述的电池组还设置上下盖板、上下绝缘板与上下密封件B；
上盖板位于第一储能模块中的上电流导出板左侧，二者之间设置上绝缘板，上盖板与上绝缘板之间设置上密封件B，用于密封上盖板与上绝缘板边缘的空隙；上绝缘板与第一储能模块中的上电流导出板之间设置上密封件B，用于密封上绝缘板与第一储能模块中的上电流导出板边缘的空隙；
下盖板位于第N储能模块中的下电流导出板右侧，二者之间设置下绝缘板，下盖板与下绝缘板之间设置下密封件B，用于密封下盖板与下绝缘板边缘的空隙；下绝缘板与第N储能模块中的下电流导出板之间设置下密封件B，用于密封下绝缘板与第N储能模块中的下电流导出板边缘的空隙；
并且，上下盖板、上绝缘板与下绝缘板、上密封件B与下密封件B的边缘设置穿孔，与所述N块储能模块中的穿孔通道共同形成电极熔融物质可流通的通道；输入管道的一开口端连接上盖板的穿孔，电极熔融物质经输入管道的另一开口端输入。
14.如权利要求13所述的平板型结构的钠镍电池组，其特征是：所述的上下盖板为耐高温耐腐蚀金属材料；
所述的上下绝缘板材料采用耐高温的高分子材料或陶瓷；
所述的上下密封件B材料包括耐高温的高分子、石墨，或者玻璃；
所述的上下盖板分别设置通孔，固定柱螺栓一端通过该两通孔，用以紧固电池组。
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