CN106182343B - 一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法 - Google Patents

一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，包括下列步骤：加料步骤：将Na‑β″‑Al2O3粉料加入到一个与钠硫电池固体电解质陶瓷管形状对应的成型模具的型腔内，并将该型腔的顶部封闭；压装步骤：在该成型模具的径向外侧套接一个主压力容器的主袋；并通过位于所述主袋底部的底部封盖，将所述成型模具锁紧，并将该主压力容器与一个压力泵连通，通过所述压力泵向所述主袋的径向外侧注入加压介质，对所述型腔内的Na‑β″‑Al2O3粉料进行压制，将所述型腔内的Na‑β″‑Al2O3粉料压制成为钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯；脱模步骤：将所述钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯从所述成型模具中取出。

Description

一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法
技术领域
本发明涉及一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法。
背景技术
钠硫电池是以固体电解质陶瓷管作为电解质和隔膜，金属钠作为负极材料，非金属硫作为正极材料的二次电池。它具有容量大、体积小、寿命长、效率高等优点，可应用于电网削峰填谷、应急电源、新能源接入、电能质量优化等领域。
等静压成型是Na-β″-Al2O3粉料制备固体电解质陶瓷管的关键步骤。在传统工艺中，固体电解质陶瓷管采用湿式等静压成型方法，其主要流程是粉料加入成型模具，即胶套模具内，密封、除气后放入压力容器内，用高压泵在压力容器和胶套模具之间注入加压介质，如水或油等液体，压制成型。胶套模具的材质为橡胶材质，如聚氨酯等，压制分为加压、保压和卸压过程，Na-β″-Al2O3粉料在成型模具的型腔中压制成型。
湿式等静压成型方法的特点是在压制过程中胶套模具与加压介质相接触。这种方法难以实现自动化操作，生产效率低，不适合大批量生产；同时，操作人员在脱模时需要与加压介质接触，劳动条件差。
然而钠硫电池要进入商品化生产,要求固体电解质陶瓷管具备大批量生产的能力。
发明内容
本发明的目的的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其能避免传统湿式等静压成型难以实现自动化操作，生产效率低的缺点，实现了钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯的自动化连续生产，有效提高了生产效率。
实现上述目的的一种技术方案是：一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，包括下列步骤：
加料步骤：将Na-β″-Al2O3粉料加入到一个与钠硫电池固体电解质陶瓷管形状对应的成型模具的型腔内，并将该型腔的顶部封闭；
压装步骤：在该成型模具的径向外侧套接一个主压力容器的主袋；并通过位于所述主袋底部的底部封盖，将所述成型模具锁紧，并将该主压力容器与一个压力泵连通，通过所述压力泵向所述主袋的径向外侧注入加压介质，对所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料进行压制，将所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料压制成为钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯；
脱模步骤：将所述钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯从所述成型模具中取出。
进一步的，所述加料步骤是通过一个喷嘴进行的，所述喷嘴将Na-β″-Al2O3粉料从位于所述型腔顶部的加料口加入所述型腔。
再进一步的，所述喷嘴的开度和打开时间可调。
进一步的，在所述喷嘴将Na-β″-Al2O3粉料从位于所述型腔顶部的加料口加入所述型腔前，先通过一个加料升降装置抬升所述成型模具，使所述加料口对准所述喷嘴。
进一步的，在所述喷嘴将Na-β″-Al2O3粉料从位于所述型腔顶部的加料口加入所述型腔的过程中，对所述成型模具进行水平振动。
更进一步的，对所述成型模具的水平振动是通过一个水平振动装置进行的，该水平振动装置的振动频率可调。
进一步的，压装步骤中，所述成型模具是通过一个压装升降装置被推入所述主压力容器内的。
进一步的，压装步骤中对所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料的压制分为三个过程，即加压过程、保压过程和卸压过程，所述加压过程的加压速度为35MPa/s，最高压力为200MPa，所述保压过程的保压时间为30s，所述卸压过程分为三个阶段，200～55MPa阶段的卸压速度为25MPa/s，55～15MPa阶段的卸压速度为1.5MPa/s,15MPa至标准大气压阶段的卸压速度为0.25MPa/s。
进一步的，所述成型模具的型腔是由一个芯棒和一个同轴套接在所述芯棒径向外侧的胶管围成的，所述胶管的顶部设有一个用于将所述型腔顶部的加料口封闭的胶管塞，脱模步骤中先取下所述胶管塞，再取下所述胶管和套接在所述芯棒上的钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯，然后再依次将所述胶管和所述胶管塞复位。
进一步的，所述加料步骤、所述压装步骤和所述脱模步骤是依次循环进行的。
采用了本发明的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法的技术方案，包括下列步骤：加料步骤：将Na-β″-Al2O3粉料加入到一个与钠硫电池固体电解质陶瓷管形状对应的成型模具的型腔内，并将该型腔的顶部封闭；压装步骤：在该成型模具的径向外侧套接一个主压力容器的主袋；并通过位于所述主袋底部的底部封盖，将所述成型模具锁紧，并将该主压力容器与一个压力泵连通，通过所述压力泵向所述主袋的径向外侧注入加压介质，对所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料进行压制，将所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料压制成为钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯；脱模步骤：将所述钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯从所述成型模具中取出。其技术效果是：其避免了传统湿式等静压成型难以实现自动化操作，生产效率低的缺点，实现了钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯的自动化连续生产，有效提高了生产效率。
附图说明
图1为钠硫电池固体电解质陶瓷管成型装置的转盘示意图。
图2为钠硫电池固体电解质陶瓷管成型装置的成型模具示意图。
图3为钠硫电池固体电解质陶瓷管成型装置的加料工位示意图。
图4为一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型装置的压装工位示意图。
图5为一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型装置的脱模工位示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图5，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，钠硫电池固体电解质陶瓷管成型装置，包括一个水平设置的转盘900，转盘900的顶面上均布有四个工位，依次为加料工位2、压装工位3、脱模工位4和等待工位5。每个所述工位上都设有一个用于钠硫电池固体电解质陶瓷管成型的成型模具1。
图2为成型模具1，包括底座11、芯棒12、胶管13和胶管塞14。底座11的底面与转盘900的顶面固定。芯棒12同轴固定在底座11的顶面上，芯棒12与底座11之间通过位于底座11顶面中的固定针111固定。胶管13底面开口，胶管13同轴套接在底座11和芯棒12的径向外侧。胶管13的内圆周面与底座11的外圆周面之间的接触面为锥面。底座11的外圆周面上设有一个对胶管13底面进行支撑的外台阶面112。胶管13的内圆周面设有一个与底座11顶面面接触的，使底座11顶面支撑胶管13的内台阶面131。
芯棒12的外圆周面和顶面，和胶管13之间形成与钠硫电池固体电解质陶瓷管形状对应的型腔15，底座1用于对芯棒12和胶管13进行定位，保证得到的与钠硫电池固体电解质陶瓷管的壁厚是均匀的。胶管13的顶部设有一个加料口132，加料口132通过胶管塞14封闭。胶管塞14与加料口132之间的径向接触面为一个倒锥面，以防止加压过程中胶管塞14脱落。
本发明的一种钠硫点电池固体电解质陶瓷管成型方法包括三步，即加料步骤、压装步骤和脱模步骤：
加料步骤是在加料工位2进行的。
加料工位2包括加料机械臂21、位于转盘900下方的加料升降装置22，位于加料升降装置22顶部，能使成型模具1水平振动的水平振动装置23、喷嘴24，以及加料传感器25。
当未填装Na-β″-Al2O3粉料的成型模具1运转到加料工位2时，加料传感器25首先发出一个信号给加料机械臂21，使加料机械臂21将胶管塞14取走。
由于加料传感器25与加料升降装置22之间设有缓冲器，因此加料传感器25在加料机械臂21将胶管塞14取走后延时发出一个信号给加料升降装置22，提升成型模具1，使成型模具1的加料口132对准喷嘴24。
由于加料传感器25与喷嘴24以及水平振动装置23之间均设有缓冲器，且该两个缓冲器的延时相同但长于加料传感器25与加料升降装置22之间的缓冲器，因此在成型模具1提升至指定高度后，加料传感器25同时向喷嘴24和水平振动装置23发出信号，喷嘴24对型腔15进行加料，水平振动装置23对成型模具1进行水平振动。因为胶管13与底座11之间的接触面进行了改进，可防止振动过程中胶管13和芯棒12之间发生偏移，从而保证钠硫电池固体电解质陶瓷管壁厚的均匀性，加料时，Na-β″-Al2O3粉料从加料口132进入型腔15，并靠重力下落将型腔15填充。通过调整喷嘴24的开度和打开时间能够控制加料速度；通过调整水平振动装置23的振动频率能够控制Na-β″-Al2O3粉料的堆积密度。
加料完毕后，即加料到规定高度后，加料传感器25发出信号，使加料升降装置22控制成型模具1下降，使成型模具1的底面与转盘900的顶面等高，加料机械臂21将胶管塞14装回加料口132。
压装步骤是在压装工位3进行的。
压装工位3包括：位于成型模具1下方的压装升降装置31、主压力容器32、压力泵33和压装传感器34。主压力容器32包括主袋321以及用于将主袋321底部封闭的底部封盖322。主袋321用聚氨酯或橡胶制成。压力泵33与主压力容器32连通。
压装传感器34在检测到填装了Na-β″-Al2O3粉料的成型模具1运行到压装工位3时，发出信号，触发压装升降装置31，将成型模具1推升至指定高度，使成型模具1位于主压力容器32的主袋321内，即胶管13的径向外侧套接主压力容器32的主袋321。
成型模具1抬升到位后，压装传感器34向主压力容器32的底部封盖322发出信号，使主压力容器32的底部封盖322将胶管13锁紧。
通过压装传感器34触发压力泵33，压力泵33连通主压力容器32，因此压力泵33在主袋321的径向外侧注入加压介质，使主压力容器32开始对型腔15内的Na-β″-Al2O3粉料进行压制，压制分为加压、保压和卸压过程。Na-β″-Al2O3粉料在成型模具1的型腔15中压制成型。加压速度为35MPa/s，最高压力为200MPa，保压时间为30s，卸压分为三个阶段，200～55MPa阶段的卸压速度为25MPa/s，55～15MPa阶段的卸压速度为1.5MPa/s,15MPa至标准大气压阶段的卸压速度为0.25MPa/s，可手动控制。
压制完毕后，压装传感器34使底部封盖322解锁，同时压装传感器34发出一个信号，使压装升降装置31下降，使成型模具1的底面与转盘900的顶面平行。
上述的技术措施，通过将加压介质注入主袋321的径向外侧，采用干式等静压成型工艺大大提升了钠硫电池固体电解质陶瓷管的生产能力，适应了钠硫电池要进入商品化生产的要求。这样的设计使主袋321将加压介质密封在主压力容器32的主袋321外，在压制过程中成型模具1不与加压介质相接触。因此易于实现钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯生产的自动化操作，生产效率高，适合大批量生产。
脱模步骤是在脱模工位4上进行的。
脱模工位4包括脱模机械臂41，胶管夹42、生坯夹43、清扫刷44、和脱模传感器45。脱模传感器45与生坯夹43、清扫刷44之间均连有缓冲器，脱模传感器45与脱模机械臂41之间连有两路并联的线路，一路线路设有缓冲器，另外一路线路，脱模传感器45直接连接脱模机械臂41。脱模传感器45与胶管夹42之间连有两路并联的缓冲器，且该两路缓冲器的延时是不同的。
当脱模传感器45检测到装有钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯的成型模具1运行到脱模工位4时，先触发脱模机械臂41，再依次延时触发胶管夹42、生坯夹43、清扫刷44、胶管夹42和脱模机械臂41。
脱模传感器45第一次触发脱模机械臂41后，脱模机械臂41将胶管塞14取走。
脱模传感器45触发胶管夹42，胶管夹42将胶管13提起。
胶管13被取走后，脱模传感器45触发生坯夹43，生坯夹43将所述生坯提起，放到下料台上。
然后，脱模传感器45触发清扫刷44，清扫刷44对整个芯棒12和底座11进行清洁，除去上面的结余料。
清洁完毕后，脱模传感器45触发胶管夹42将胶管13重新放回到底座11上。
最后，脱模传感器45第二次触发脱模机械臂41将胶管塞14复位。
加料、压装和脱模过程全部完成后，转盘900逆时针旋转90°,加料工位2的成型模具1转到压装工位3，压装工位3的成型模具1转到脱模工位4。脱模工位4的成型模具1转到等待工位5。等待工位5的模具转到加料工位1，如此循环。
本发明的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法避免了传统湿式等静压成型难以实现自动化操作，生产效率低的缺点，实现了钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯的自动化连续生产，有效提高了生产效率。
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 (9)

1.一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，包括下列步骤：
加料步骤：将Na-β″-Al2O3粉料加入到一个与钠硫电池固体电解质陶瓷管形状对应的成型模具的型腔内，并将该型腔的顶部封闭；
压装步骤：在该成型模具的径向外侧套接一个主压力容器的主袋；并通过位于所述主袋底部的底部封盖，将所述成型模具锁紧，并将该主压力容器与一个压力泵连通，通过所述压力泵向所述主袋的径向外侧注入加压介质，对所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料进行压制，将所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料压制成为钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯；
脱模步骤：将所述钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯从所述成型模具中取出,
所述加料步骤、所述压装步骤和所述脱模步骤是依次循环进行的。
2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：所述加料步骤是通过一个喷嘴进行的，所述喷嘴将Na-β″-Al2O3粉料从位于所述型腔顶部的加料口加入所述型腔。
3.据权利要求2所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：所述喷嘴的开度和打开时间可调。
4.根据权利要求2所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：在所述喷嘴将Na-β″-Al2O3粉料从位于所述型腔顶部的加料口加入所述型腔前，先通过一个加料升降装置抬升所述成型模具，使所述加料口对准所述喷嘴。
5.根据权利要求2所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：在所述喷嘴将Na-β″-Al2O3粉料从位于所述型腔顶部的加料口加入所述型腔的过程中，对所述成型模具进行水平振动。
6.根据权利要求5所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：对所述成型模具的水平振动是通过一个水平振动装置进行的，该水平振动装置的振动频率可调。
7.根据权利要求1所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：压装步骤中，所述成型模具是通过一个压装升降装置被推入所述主压力容器内的。
8.根据权利要求1所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：压装步骤中对所述型腔内的Na-β″-Al2O3粉料的压制分为三个过程，即加压过程、保压过程和卸压过程，所述加压过程的加压速度为35MPa/s，最高压力为200MPa，所述保压过程的保压时间为30s，所述卸压过程分为三个阶段，200～55MPa阶段的卸压速度为25MPa/s，55～15MPa阶段的卸压速度为1.5MPa/s,15MPa至标准大气压阶段的卸压速度为0.25MPa/s。
9.根据权利要求1所述的一种钠硫电池固体电解质陶瓷管成型方法，其特征在于：所述成型模具的型腔是由一个芯棒和一个同轴套接在所述芯棒径向外侧的胶管围成的，所述胶管的顶部设有一个用于将所述型腔顶部的加料口封闭的胶管塞，脱模步骤中先取下所述胶管塞，再取下所述胶管和套接在所述芯棒上的钠硫电池固体电解质陶瓷管生坯，然后再依次将所述胶管和所述胶管塞复位。
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