CN106654402A - 一种钠硫电池负极安全管成型设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钠硫电池负极安全管成型设备，包括用以支撑钠硫电池负极组件的固体电解质管的底部托举结构，以及同轴套接在所述钠硫电池负极组件的安全管的径向内侧的柔性管，所述柔性管用高弹材料制成，所述柔性管包括从下至上依次设置的半球封口端、直筒部、锥形部和开口部，所述直筒部、所述锥形部和所述开口部的内径相等，所述锥形部使所述柔性管的外径从下至上连续线性增大；所述柔性管的顶部通过顶部封闭结构封闭，所述顶部封闭结构的中心设有注液口。其技术效果是：能保证制成的安全管的形状与固体电解质管的形状对应，使常温下固体电解质管与安全管之间的间隙在0.1～0.2mm之间，保证钠硫电池的安全性，并在钠硫电池的温度超过420℃时，切断钠的传输通道。

Description

一种钠硫电池负极安全管成型设备
技术领域
本发明涉及一种钠硫电池负极安全管成型设备。
背景技术
钠硫电池是一种高比能量储能高温电池，其正极活性物质为硫磺，负极活性物质为金属钠，两种活性物质均属于易燃易爆物质。因此限制钠硫电池规模化应用的一个主要问题是如何保障钠硫电池的安全性能。一般的钠硫电池结构设计为钠位于固体电解质管2的内部，硫磺位于固体电解质管2的外部；这种设计具有最高的比能量密度；但当固体电解质管2破损，负极的钠和正极的硫磺直接反应，生成大量热和高腐蚀性的多硫化钠，从而引起钠硫电池外壳熔化、燃烧的危险。此外，只要有硫磺和钠存在，反应就不会停止。为抑制这样的反应，公开号为CN202423500的专利，钠硫电池的负极组件采用双层管结构，即储存钠的储钠管(图中未显示)使用高熔点的钢制金属，而在所述储钠管和固体电解质管2之间配有高热膨胀系数的铝或铝合金制成的安全管6，但对铝合金的安全管6制备方法没有过多介绍。
由于固体电解质管2的材料为beta氧化铝陶瓷材料，在烧结过程中不可避免地在垂直度、圆柱度等方面存在一定的分散性，要保障固体电解质管2和安全管6之间的间隙均匀性，必须采用柔性且容易变形的铝或变形铝合金作为安全管6的材料。固体电解质管2和绝缘陶瓷环1首先采用玻璃作为焊料封装在一起，然后绝缘陶瓷环1和正极封接环3，以及负极封接环4在一定的温度和压力下完成封接，其中固体电解质管2和绝缘陶瓷环1的封接温度在1000℃以上，而绝缘陶瓷环1和正极封接环3，以及负极封接环4进行封接的温度也在500℃以上，要保证钠硫电池的失效温度控制在500℃之内，安全管6的制备必须是绝缘陶瓷环1、正极封接环3，以及负极封接环4的封接后进行。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池负极安全管成型设备，其能保证制成的安全管的形状与固体电解质管的形状对应，使常温下固体电解质管与安全管之间的间隙在0.1～0.2mm之间，保证钠硫电池的安全性，并在钠硫电池的温度超过420℃时，切断钠离子的传输通道。
实现上述目的的一种技术方案是：一种钠硫电池负极安全管成型设备，包括用以支撑钠硫电池负极组件的固体电解质管的底部托举结构，以及同轴套接在所述钠硫电池负极组件的安全管的径向内侧的柔性管，所述柔性管用高弹材料制成，所述柔性管包括从下至上依次设置的半球封口端、直筒部、锥形部和开口部，所述直筒部、所述锥形部和所述开口部的内径相等，所述锥形部使所述柔性管的外径从下至上连续线性增大；所述柔性管的顶部通过顶部封闭结构封闭，所述顶部封闭结构的中心设有注液口。
进一步的，所述钠硫电池负极安全管成型设备还包括工作台，所述工作台包括两根竖直的导轨，所述底部托举结构和所述顶部密封结构均连接所述导轨。
再进一步的，所述底部托举结构包括用以支撑所述固体电解质管的内支撑部，以及套接在所述内支撑部外侧的外支撑部，所述内支撑部的顶面设有一个与所述固体电解质管的底部半球形状对应的凹面，所述外支撑部与所述导轨之间通过滑动连接件连接，使所述底部托举结构可沿所述导轨上下滑动。
更进一步的，所述底部托举结构连接伺服电机。
再进一步的，所述内支撑部由尼龙、聚四氟乙烯或聚丙烯制成，所述外支撑部由金属制成，所述滑动连接件与所述外支撑部之间过盈配合。
更进一步的，所述顶部封闭结构包括位于所述柔性管顶部径向内侧的内金属环，套接在所述柔性管顶部径向外侧的外金属环，以及套接在所述外金属环径向外侧，并将所述内金属环顶部封闭的端盖；
所述外金属环的内圆周与所述柔性管的开口部、锥形部以及直筒部顶端的外圆周配合；
所述内金属环的顶面与所述柔性管顶面等高，所述端盖的底面与所述柔性管的顶面和所述内金属环的顶面面接触，所述注液口位于所述端盖的中心。
更进一步的，述端盖与所述导轨之间，所述外金属环与所述导轨之间均通过固定插销固定。
更进一步的，所述柔性管顶部的内圆周设有倒角，所述内金属环的外圆周和所述倒角之间设有O形密封圈。
更进一步的，所述外金属环的外圆周与所述端盖的内圆周螺纹配合。
更进一步的，所述外金属环的底面与所述安全管的顶面之间设有保护环。
采用了本发明的一种钠硫电池负极安全管成型设备的技术方案，包括用以支撑钠硫电池负极组件的固体电解质管的底部托举结构，以及同轴套接在所述钠硫电池负极组件的安全管的径向内侧的柔性管，所述柔性管用高弹材料制成，所述柔性管包括从下至上依次设置的半球封口端、直筒部、锥形部和开口部，所述直筒部、所述锥形部和所述开口部的内径相等，所述锥形部使所述柔性管的外径从下至上连续线性增大；所述柔性管的顶部通过顶部封闭结构封闭，所述顶部封闭结构的中心设有注液口。其技术效果是：能保证制成的安全管的形状与固体电解质管的形状对应，使常温下固体电解质管与安全管之间的间隙在0.1～0.2mm之间，保证钠硫电池的安全性，并在钠硫电池的温度超过420℃时，切断钠离子的传输通道，反应速度得到有效抑制。
附图说明
图1为本发明的一种钠硫电池负极安全管成型设备的结构示意图。
图2为本发明的一种钠硫电池负极安全管成型设备的柔性管的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1，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，本发明的一种钠硫电池负极安全管成型设备，包括工作台11，柔性管7、顶部封闭结构和底部托举结构8。
工作台11上设有两根竖直的导轨11a。导轨11a用硬质合金，比如Cr13钢制成。
底部托举结构8包括与固体电解质管2的底部半球21接触，用以支撑固体电解质管2的内支撑部8c，套接在内支撑部8c外侧的外支撑部8b，外支撑部8b用以支撑内支撑部8c。
内支撑部8c采用非金属材料组成，可选用尼龙、聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料，其顶面为一个形状与固体电解质管2的底部半球21形状对应的凹面，以防止固体电解质管2损坏。外支撑部8b采用金属材料，可采用碳钢、合金钢、不锈钢等材料制成。外支撑部8b与两个导轨11a之间，分别设有一个滑动连接件8a，用于引导底部托举结构8沿着导轨11a上下滑行。滑动连接件8a和外支撑部8b之间过盈配合，确保滑动连接件8a和外支撑部8b之间不分离。底部托举结构8沿着导轨11a上下滑行可采用伺服电机驱动，这样既能保证内支撑部8c的顶面和固体电解质管2的底部半球21之间的有效接触，又不会对固体电解质管2的底部半球21形成过大的应力，使固体电解质管2损坏。所述伺服电机带有位移和压力显示功能，在竖直方向可以定位底部托举结构8，一旦底部托举结构8和固体电解质管2受力接触，所述伺服电机自动停机。
柔性管7是本发明的一种钠硫电池负极安全管成型设备中的核心部件，其保证了整个钠硫电池负极安全管成型设备的安全性以及寿命。柔性管7同轴套接在钠硫电池负极组件的安全管6的径向内侧。柔性管7的材料要选择既具有较大的形变能力，还需要较强的恢复能力，同时还能承受水的长期腐蚀的高弹材料。可优选丁晴橡胶或聚氨酯橡胶。
柔性管7具备从上至下依次设置的开口部73、直筒部71和半球封口端72。开口部73的内径和直筒部71的内径相同，开口部73的外径大于直筒部71的外径。
开口部73和直筒部71之间通过锥形部74连接。锥形部74的内径与直筒部71的内径相同。锥形部74的外径从下至上连续线性增大，因此从直筒部71的顶端到开口部73的底端，柔性管7的外径连续线性增大。柔性管7的开口部71的长度X和锥形部74的长度Y的关系为X:Y＝1:1-4:1。通过开口部73、锥形部74和直筒部71依次连接的结构，能保证柔性管7的高强度以及使用寿命。这是因为高压液体介质是从开口部73填充的，在轴向方向上开口部73受到的应力较直筒部71大，且开口部73不允许变形。直筒部71是柔性管7最薄弱部分，其作用主要是变形，因此对直筒部71的外表面不允许任何凸起、毛刺等不良。柔性管7密封完好，液体介质不会泄漏，否则会发生安全隐患。
直筒部71的壁厚t1、开口部73顶端的壁厚t2，两者之间的关系为t1：t2＝1:1.5-1:2.5，直筒部71的长度l和固体电解质管2的长度L，两者之间的比例的关系为1:1.3-1:1.6，该比例低于1:1.3，则柔性管7的直筒部71不能完全覆盖固体电解质管2的内长，造成部分安全管6无法变形，该比例高于1:1.6，一方面形成材料的浪费，另外一方面提高柔性管7的制作难度。柔性管7的开口部73的内圆周设有倒角75。
所述顶部封闭结构，包括外金属环10、内金属环15和端盖12。端盖12的顶部设有注液孔12b。
内金属环15套接在柔性管7顶部的径向内侧，内金属环15的外圆周与柔性管7的开口部73顶部的内圆周的倒角75之间设有O形密封圈。内金属环15的顶面与柔性管7的顶面等高。内金属环15外周面与所述O形密封圈配合，在螺栓紧固作用下，所述O形密封圈发生挤压变形，从而达到密封柔性管7和外金属环10的作用。
外金属环10的顶部套接在柔性管7的径向外侧，外金属环10的内圆周与柔性管7的开口部73、锥形部74以及直筒部71顶部的外圆周配合。也就是说围绕柔性管7的开口部73、锥形部74以及直筒部71顶部的外圆周形成了可与外金属环10内圆周配合的配合面。
端盖12套接在外金属环10的径向外侧，并将内金属环15的顶面封闭，端盖12的顶面与，柔性管7的顶面和内金属环15的顶面面接触。外金属环10的顶面与端盖12的底面之间设有环形的密封垫16。
同时端盖12和工作台11的导轨11a之间通过上固定插销13b固定，外金属环10和工作台11的导轨11a之间通过下固定插销13a固定。
外金属环10由于会长时间接触到水、酒精等液体介质，因此优选采用含有Cr的耐腐蚀奥氏体合金钢材料，外金属环10的外圆周面加工粗制外螺纹，端盖12的内圆周面加工成内螺纹，使外金属环10和端盖12之间形成紧固的螺纹密封连接。外金属环10的内圆周与柔性管7配合。端盖12、外金属环10、内金属环15以及柔性管7形成完整的密封体。
接着，对安全管的详细制备过程进行说明：
固体电解质管2为外径50mm、壁厚3mm、长度260mm，直线度在1mm以下的beta氧化铝管。安全管6为外径43mm、壁厚0.8mm的退火态3003铝合金管。首先将安全管6采用超声波洗净，在经过热压封接的固体电解质管2的内部插入安全管6；安全管6由内直筒部6a和内底部半球6b组成，采用旋压一体成型，安全管6内外表面光滑，无任何毛刺缺陷，安全管6装配后，安全管6的内底部半球6b的外表面和固体电解质管2的底部半球21的内表面发生局部线接触。
接着，将柔性管7顶部的外圆周面与外金属环10的内圆周面套接，再将内金属环15安装在柔性管7的开口部73的倒角75的径向内侧，然后将端盖12套接在外金属环10的径向外侧，端盖12的内圆周面与外金属环10的外圆周面通过螺纹配合，确保密封性。将工作台11的两根导轨11a的顶部开两个水平孔，与端盖12的对应的两个水平孔保持在一条水平线上，使端盖12与工作台11的两根导轨11a之间均能通过上固定插销13b固定，同时两根上固定插销13b能够自由转动。
将负极封接环4的保护环9从柔性管7底端缓慢插入，使保护环9卡接至外金属环10的底端与安全管6的顶端之间。此后将安全管6的径向外侧的固体电解质管2同样从柔性管7的底部套接在安全管6的径向外侧，直至安全管6的内底部半球6b和柔性管7的外表面局部发生线性接触。通过控制伺服电机的竖直移动，使底部托举结构8的顶面和固体电解质管2的底部半球21的底面接触，最后通过上固定插销13b和下固定插销13a，使所述顶部封闭结构与工作台11固定，确保固体电解质管2不摆动。
通过端盖12中心的注液孔12b向柔性管7内填充水，采用水压试验机提供液体压强，在压力作用下，柔性管7会向外膨胀，首先发生柔性管7和安全管6的面接触，随着压强的逐步增大，柔性管7的变形带动安全管6的变形，最终安全管6的外表面和固体电解质管2的内表面紧密面接触接触。
采用制备好的安全管6，在空气气氛条件下，经过430℃热处理30min，由于铝合金和氧化铝陶瓷的热膨胀系数差异，常温条件下在固体电解质管2和安全管6之间形成0.1-0.2mm的间隙。
使用本发明的一种钠硫电池负极安全管成型设备组装钠硫电池。钠硫电池的放电容量和工作温度的关系为：钠硫电池在320℃-370℃范围内放电性能正常，而当钠硫电池升温至400℃后，钠硫电池放电性能循环恶化，当钠硫电池温度继续升至420℃时，钠硫电池则无法正常工作，这些测试结果表明本发明的一种钠硫电池负极安全管成型设备效果显著，通过控制安全管6和固体电解质管2之间的间隙进而达到控制钠的反应质量，并且钠硫电池温度升高到一定程度，钠无法参与化学反应，可以将钠硫电池控制在断路状态，减小钠硫电池因固体电解质管2破损失效的危险性，避免钠硫电池的温度超过500℃。
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)

1.一种钠硫电池负极安全管成型设备，包括用以支撑钠硫电池负极组件的固体电解质管的底部托举结构；其特征在于：
其还包括同轴套接在所述钠硫电池负极组件安全管的径向内侧的柔性管，所述柔性管用高弹材料制成，所述柔性管包括从下至上依次设置的半球封口端、直筒部、锥形部和开口部，所述直筒部、所述锥形部和所述开口部的内径相等，所述锥形部使所述柔性管的外径从下至上连续线性增大；
所述柔性管的顶部通过顶部封闭结构封闭，所述顶部封闭结构的中心设有注液口。
2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述钠硫电池负极安全管成型设备还包括工作台，所述工作台包括两根竖直的导轨，所述底部托举结构和所述顶部密封结构均连接所述导轨。
3.根据权利要求2所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述底部托举结构包括用以支撑所述固体电解质管的内支撑部，以及套接在所述内支撑部外侧的外支撑部，所述内支撑部的顶面设有一个与所述固体电解质管的底部半球形状对应的凹面，所述外支撑部与所述导轨之间通过滑动连接件连接，使所述底部托举结构可沿所述导轨上下滑动。
4.根据权利要求3所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述底部托举结构连接伺服电机。
5.根据权利要求2所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述内支撑部由尼龙、聚四氟乙烯或聚丙烯制成，所述外支撑部由金属制成，所述滑动连接件与所述外支撑部之间过盈配合。
6.根据权利要求2所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述顶部封闭结构包括位于所述柔性管顶部径向内侧的内金属环，套接在所述柔性管顶部径向外侧的外金属环，以及套接在所述外金属环径向外侧，并将所述内金属环顶部封闭的端盖；
所述外金属环的内圆周与所述柔性管的开口部、锥形部以及直筒部顶端的外圆周配合；
所述内金属环的顶面与所述柔性管顶面等高，所述端盖的底面与所述柔性管的顶面和所述内金属环的顶面面接触，所述注液口位于所述端盖的中心。
7.根据权利要求6所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述端盖与所述导轨之间，所述外金属环与所述导轨之间均通过固定插销固定。
8.根据权利要求6所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述柔性管顶部的内圆周设有倒角，所述内金属环的外圆周和所述倒角之间设有O形密封圈。
9.根据权利要求6所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述外金属环的外圆周与所述端盖的内圆周螺纹配合。
10.根据权利要求6所述的一种钠硫电池负极安全管成型设备，其特征在于：所述外金属环的底面与所述安全管的顶面之间设有保护环。
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