CN107742752A - 一种液态金属电池模块及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属电池模块及其组装方法，包括电池箱、多个液态金属电池单体和电池管理单元；电池箱包括箱体外壳和引线保护罩，箱体外壳和引线保护罩之间由顶盖外壳隔为高温区和低温区，液态金属电池单体的主体部分置于高温区内；过渡颈、负极集流体和正极集流体上端延伸出高温区置于低温区；在低温区内通过电池引线依次连接不同液态金属电池单体的负极集流体和正极集流体进行液态金属电池单体的串并联组合；所述的电池管理单元设置在电池箱上，用于对液态金属电池控制和监测。本发明能够解决现有液态金属电池模块因电池整体封装于绝热保温箱内部而造成的电池绝缘密封可靠性不高，电池引线设计复杂，电池检修困难的问题。

Description

一种液态金属电池模块及其组装方法

技术领域

本发明属于储能技术领域，特别涉及一种液态金属电池模块及其组装方法。

背景技术

液态金属电池是2007年由美国麻省理工学院的Sadoway教授提出的一种新型储能电池技术。这种电池通常在300℃～700℃的高温下工作，其电极为液态金属，电解质为无机熔盐，电极与电解质因密度差异及互不混溶而自然分层，位于中间的电解质层将正、负电极层完全隔离。电池运行时，通过负极金属释放电子后与正极金属形成合金实现放电，通过位于正极层的负极金属释放电子后返回负极层实现充电充电(电子由正极经外电路到达负极)。

液态金属电池采用廉价材料且无需隔膜，电池成本较低；电池构造简单，易于生产放大；电池在高温下运行，动力学特性优良；无易燃易爆成分，安全可靠；全液态体系，没有固体电极结构变化问题，性能稳定使用寿命长。基于以上优点，液态金属电池非常适合在大规模电力储能系统中使用。

在实际应用中，由于液态金属电池的电压较低(一般低于1V),容量有限(一般小于500Ah)，需要先将若干液态金属电池单体成组构成储能模块，储能模块经过进一步串并联构成储能系统以最终满足不同储能应用场合的使用需求。

目前的液态金属电池模块采用与钠硫电池模块类似的设计，将液态金属电池单体以三维矩阵形式排列并整体封装在绝热保温箱内部，再将各类引线从保温箱内部引出。这种电池模块设计虽然结构紧凑，具有较高的能量密度，但存在三个明显问题：一是电池所处的高温环境对绝缘密封件长期可靠性具有很大挑战。一旦某一个电池的绝缘密封件因热应力开裂而发生泄露，其电池材料的高温蒸汽将在很短时间内对其他电池造成腐蚀，进而发生电池相继泄露的连锁效应；二是高温环境使电池成组引线和电池管理单元引线的设计变得复杂，需要采取保护措施确保引线不会在短期内老化劣化，使得电池模组制造成本高昂；三是电池检修困难，无法辨别是电池内部问题或是外部连接问题，需要将电池模块整体降温后打开模块，取出问题电池进行处理。当电池数量较大时，电池拆卸工作量大，费时费力。

发明内容

为了进一步提高液态金属电池模块的可靠性和实用性，本发明将提供一种液态金属电池模块及其组装方法，用于解决现有液态金属电池模块因电池整体封装于绝热保温箱内部而造成的电池绝缘密封可靠性不高，电池引线设计复杂，电池检修困难的问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种液态金属电池模块，包括电池箱、多个液态金属电池单体和电池管理单元；

所述的电池箱包括箱体外壳和引线保护罩，箱体外壳和引线保护罩之间由顶盖外壳隔为高温区和低温区，高温区内设置有加热层，加热层为液态金属电池单体正常工作提供热能；

液态金属电池单体的主体部分置于高温区内；液态金属电池单体由电池壳体的顶部中心孔引出并向上延伸形成过渡颈，过渡颈顶部设置密封绝缘组件，负极集流体与密封绝缘组件紧密连接并经过渡颈穿过电池壳体的顶部中心孔向下延伸至电池壳体内部，正极集流体由过渡颈旁边引出并向上延伸，过渡颈、负极集流体和正极集流体上端延伸出高温区置于低温区；在低温区内通过电池引线依次连接不同液态金属电池单体的负极集流体和正极集流体进行液态金属电池单体的串并联组合；

所述的电池管理单元设置在电池箱上，用于对液态金属电池控制和监测。

所述的箱体外壳由外而内依次设置绝热保温层和加热层，顶盖外壳底部设置绝热保温顶盖，加热层中设置加热元件。

所述的电池箱底部设有放置液态金属电池单体的定位槽，绝热保温顶盖与顶盖外壳内设有通孔，放置在定位槽内的液态金属电池单体的过渡颈及正极集流体穿过通孔伸出至低温区。

所述的顶盖外壳的下端面的四个顶角位置设有插孔，其四周侧壁设有连接件用于和箱体外壳连接；所述的引线保护罩为底部敞口的金属壳体，通过位于四个底角的插接柱与顶盖外壳固定连接。

所述的低温区的侧壁设有电池模块引线出线口，用于供串并联后的电池组正、负极引线与外界连接。

所述的电池壳体与过渡颈、密封绝缘组件共同构成密闭的电池腔体；电池腔体内部由下而上依次为正极材料、电解质材料、以及负极材料。

所述的过渡颈、负极集流体、正极集流体三者轴向共面且互不接触。

所述的低温区的顶面预设电池管理单元引线出线口，所述电池管理单元通过电池管理单元引线出线口与加热元件电源线、电池状态检测引线以及电池控制引线相连。

所述的多个液态金属电池单体以单层阵列形式排列、彼此间隔设置形成液态金属电池阵列。

一种液态金属电池模块的组装方法，包括以下步骤：

首先，将液态金属电池单体固定于电池箱底部的高温区中，将顶盖外壳固定于箱体外壳上，使得各液态金属电池单体的过渡颈和正极集流体穿过顶盖外壳预留的通孔，并置于顶盖外壳与引线保护罩所形成的低温区内；

其次，将各液态金属电池单体的负极集流体及正极集流体通过电池引线依次连接，进行串并联组合；

最后，将引线保护罩固定于顶盖外壳上；并通过引线保护罩侧壁上设置的电池模块引线出线口将串并联后的电池组正、负极引线与外界连接；电池管理单元通过引线保护罩顶部设置的电池管理单元引线出线口与加热元件电源线、电池状态检测引线和电池控制引线相连。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术效果：

本发明的液态金属电池模块，将液态金属电池以单层阵列形式放置在电池箱中，通过在电池壳体设置向上延伸的过渡颈而将电池的绝缘密封件置于由绝热保温上盖与引线保护罩形成的低温区域，一方面提高了绝缘密封件的长期可靠性，显著延长了液态金属电池单体及模块的运行寿命；另一方面，即使个别电池发生意外泄露，由于其绝缘密封件处于低温区域，所逸出的电池材料蒸汽将快速凝结，其扩散性和腐蚀性将显著降低，从而避免了其他电池的绝缘密封件因受腐蚀而相继泄露的连锁效应。将液态金属电池单体的正、负极集流体同样置于由绝热保温上盖与引线保护罩形成的低温区域，采用常规引线即可实现液态金属电池单体之间的串并联以及电池模块与电池管理单元连接，从而简化了电池模块的布线设计并确保了引线的经久耐用，通过设置引线保护罩实现了对电池绝缘密封件和引线的有效保护，防止意外碰撞导致绝缘密封件或连接引线损坏的问题。

进一步，本发明提供的液态金属电池模块，采用单层设计并将引线连接部位和电池本体分别置于低温区和高温区，当模块中的个别电池出现问题时，可以方便地找到问题电池，并在不降温冷却电池模块的条件下快速解决因引线连接不当所导致的问题。

进一步，本发明提供的液态金属电池模块，采用模块化设计，通过连接不同模块的正、负极汇流排即可达更高的输出电压和输出功率，利用多层框架支撑结构放置电池模块，可以实现空间的高效利用，当某个电池模块出现问题时，可以随时用备用电池模块进行替换，从而不影响储能系统的连续运行。

本发明的组装方法采用由下而上的方式组装，有效的保证了电池模块的密封性能和绝缘性能，并且在低温区进行电池的串并联组装，提供了组装效率。

附图说明

图1是本发明实施例所述的液态金属电池模块剖示图；

图2是本发明实施例所述的液态金属电池模块俯视图；

图3是本发明实施例所述的液态金属电池单体剖视图；

图4是本发明实施例所述的液态金属电池模块的容量-效率曲线；

图5是本发明实施例所述的液态金属电池模块的能量-效率曲线。

其中，1为加热层，2为绝热保温层，3为箱体外壳，4为绝热保温顶盖，5为顶盖外壳，6为引线保护罩，7为加热元件，8为电池模块引线出线口，9为电池管理单元引线出线口，10为电池管理单元，11为电池引线，12为电池壳体，13为过渡颈，14为密封绝缘组件，15为负极集流体，16为正极集流体。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

请参见图1至图3，本发明所述的液态金属电池模块，包括电池箱，液态金属电池阵列以及电池管理单元。具体结构如下：

如图1所示，电池箱包括加热层1，绝热保温层2，箱体外壳3，绝热保温顶盖4，顶盖外壳5，以及引线保护罩6，加热层1内设有加热元件7。

电池箱由内而外依次为加热层1、绝热保温层2和箱体外壳3，其底部或四周的加热层1内设有加热元件7；绝热保温顶盖4由内而外依次为绝热保温层2和箱体外壳3，电池箱底部设有放置液态金属电池单体的定位槽；绝热保温顶盖4与顶盖外壳5内设有通孔，使定位后的液态金属电池单体的过渡颈13及正极集流体16恰好穿过通孔伸出至低温区；顶盖外壳5的下端面的四个顶角位置设有插孔，其四周侧壁设有连接件与箱体外壳3连接。

电池箱的引线保护罩6为底部敞口的金属壳体，通过位于四个底角的插接柱与顶盖外壳5固定连接，其侧壁设有电池模块引线出线口8，其顶面预设电池管理单元引线出线口9。

如图2所示，液态金属电池阵列包括在电池箱内以单层阵列形式排列、彼此保持间隔的液态金属电池单体。

如图3所示，液态金属电池单体包括电池壳体12、过渡颈13、密封绝缘组件14、负极集流体15、以及正极集流体16；其中，过渡颈13由电池壳体12的顶部中心孔引出并向上延伸一定高度，密封绝缘组件14与过渡颈13紧密连接，负极集流体15与密封绝缘组件14紧密连接并经过渡颈13穿过电池壳体12的顶部中心孔向下延伸至电池壳体12内部，正极集流体16由电池壳体12的顶部中心孔旁边的一定距离处引出并向上延伸一定高度，过渡颈13、负极集流体15、正极集流体16三者轴向平行且互不接触；电池壳体12与过渡颈13，密封绝缘组件14，以及负极集流体15共同构成密闭的电池腔体；电池腔体内部由下而上依次为正极材料、电解质材料、以及负极材料。

电池过渡颈13的下段及电池壳体12位于加热层1、绝热保温层2与绝热保温顶盖4形成的高温区，由加热元件7加热使电池正常工作；电池过渡颈13的上段及密封绝缘组件14位于绝热保温顶盖4与引线保护罩6形成的低温区域，通过依次连接不同液态金属电池单体的负极集流体15和正极集流体16实现电池串并联并形成一定的输出电压和输出功率。

电池管理单元10设置在引线保护罩6的顶部，与由引线保护罩6顶面引出的加热元件电源线、电池状态检测引线以及电池控制引线相连。

本发明的液态金属电池模块，其组装方法为：

首先，将液态金属电池单体固定于电池箱底部的定位槽中，将绝热保温顶盖4固定于箱体外壳3上，确保各液态金属电池单体的过渡颈13和正极集流体16恰好穿过绝热保温顶盖4预留的通孔，再利用绝热材料将通孔中可能存在的缝隙堵死，从而使过渡颈13以下的电池主体部分位于加热层1、绝热保温层2与绝热保温顶盖4所形成的高温区内，而过渡颈13以上的电池密封绝缘件14、负极集流体15、正极集流体16电池引线11则位于绝热保温顶盖4与引线保护罩6所形成的低温区内。

其次，将各电池的负极集流体15及正极集流体16通过电池引线11依次连接，连接方式可以为任意形式的串并联组合(如图2所示)。

最后，将引线保护罩6固定于绝热保温顶盖4上。其中，引线保护罩6的侧壁设有电池模块引线出线口8供串并联后的电池组正、负极引线与外界连接，引保护顶盖6的顶部设有电池管理单元引线出线口9及电池管理单元10，加热元件电源线、电池状态检测引线和电池控制引线等数据线均可通过出线口与电池管理单元10相连。

本发明的液态金属电池模块，内部由绝热保温上盖分成高温区和低温区两区域。其中，电池主体部分置于高温区，而电池绝缘密封组件、电池引线等难以长时间耐受高温环境的零件则置于低温区。相较传统的液态金属电池模块设计，本发明的分区域设计具有以下优势：

首先，电池密封绝缘组件延伸至保温箱外，通过绝热保温上盖与高温区隔绝，避免了高温下由于金属和陶瓷间热膨胀系数差异所造成的密封绝缘组件破损，电池泄露问题。因此，模块长期运行可靠性更高，使用寿命更长。

其次，即使有电池出现泄露，由于密封部位位于低温区，电池内部电极材料的高温蒸汽在挥发至泄露点时往往已经冷凝，不但不会继续腐蚀其他电池，冷凝后的电极材料还有可能封住电池泄漏点，使电池能够继续正常工作，从而大大降低了电池更换的频率，减少了模块维护成本。

再次，电池引线位于低温区，可以直接使用价格低廉、经久耐用的常规导线。传统的液态金属电池模块的导线容易在高温下腐蚀断裂，即使使用昂贵的耐高温导线，或者采用诸如向保温箱内通惰性气体等复杂的保护方式，效果仍不理想。因此，本发明的液态金属电池模块成本更低，可靠性却更高。

最后，液态金属电池单体采用单层堆放方式，相较传统模块所使用的多层堆垛方式，本发明布线更简便，且模块出现故障后便于检查故障点，更换失效电池。

为验证本发明的实用性，申请人组装了额定功率为300W液态金属电池模块。请参阅图1至图3，图中液态金属电池单体额定电流为25A，额定工作电压为0.75V，采用全串联连接，以4×4方式分布于电池保温箱内。如图4和图5所示，该模块在100个循环内的库伦效率98％，能量效率75％以上，放电容量没有任何衰减，说明本发明的液态金属电池模块可以稳定高效的传输电能。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种液态金属电池模块，其特征在于：包括电池箱、多个液态金属电池单体和电池管理单元(10)；

所述的电池箱包括箱体外壳(3)和引线保护罩(6)，箱体外壳(3)和引线保护罩(6)之间由顶盖外壳(5)隔为高温区和低温区，高温区内设置有加热层(1)，加热层(1)为液态金属电池单体正常工作提供热能；

液态金属电池单体的主体部分置于高温区内；液态金属电池单体由电池壳体(12)的顶部中心孔引出并向上延伸形成过渡颈(13)，过渡颈(13)顶部设置密封绝缘组件(14)，负极集流体(15)与密封绝缘组件(14)紧密连接并经过渡颈(13)穿过电池壳体(12)的顶部中心孔向下延伸至电池壳体(12)内部，正极集流体(16)由过渡颈(13)旁边引出并向上延伸，过渡颈(13)、负极集流体(15)和正极集流体(16)上端延伸出高温区置于低温区；在低温区内通过电池引线(11)依次连接不同液态金属电池单体的负极集流体(15)和正极集流体(16)进行液态金属电池单体的串并联组合；

所述的电池管理单元(10)设置在电池箱上，用于对液态金属电池控制和监测。

2.根据权利要求1所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的箱体外壳(3)由外而内依次设置绝热保温层(2)和加热层(1)，顶盖外壳(5)底部设置绝热保温顶盖(4)，加热层(1)中设置加热元件(7)。

3.根据权利要求1或2所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的电池箱底部设有放置液态金属电池单体的定位槽，绝热保温顶盖(4)与顶盖外壳(5)内设有通孔，放置在定位槽内的液态金属电池单体的过渡颈(13)及正极集流体(16)穿过通孔伸出至低温区。

4.根据权利要求1所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的顶盖外壳(5)的下端面的四个顶角位置设有插孔，其四周侧壁设有连接件用于和箱体外壳(3)连接；所述的引线保护罩(6)为底部敞口的金属壳体，通过位于四个底角的插接柱与顶盖外壳(5)固定连接。

5.根据权利要求1或4所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的低温区的侧壁设有电池模块引线出线口(8)，用于供串并联后的电池组正、负极引线与外界连接。

6.根据权利要求1所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的电池壳体(12)与过渡颈(13)、密封绝缘组件(14)共同构成密闭的电池腔体；电池腔体内部由下而上依次为正极材料、电解质材料、以及负极材料。

7.根据权利要求1或6所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的过渡颈(13)、负极集流体(15)、正极集流体(16)三者轴向共面且互不接触。

8.根据权利要求1所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的低温区的顶面预设电池管理单元引线出线口(9)，所述电池管理单元(10)通过电池管理单元引线出线口(9)与加热元件电源线、电池状态检测引线以及电池控制引线相连。

9.根据权利要求1所述的一种液态金属电池模块，其特征在于：所述的多个液态金属电池单体以单层阵列形式排列、彼此间隔设置形成液态金属电池阵列。

10.权利要求1所述的一种液态金属电池模块的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，将液态金属电池单体固定于电池箱底部的高温区中，将顶盖外壳(5)固定于箱体外壳(3)上，使得各液态金属电池单体的过渡颈(13)和正极集流体(16)穿过顶盖外壳(5)预留的通孔，并置于顶盖外壳(5)与引线保护罩(6)所形成的低温区内；

其次，将各液态金属电池单体的负极集流体(15)及正极集流体(16)通过电池引线(11)依次连接，进行串并联组合；

最后，将引线保护罩(6)固定于顶盖外壳(5)上；并通过引线保护罩(6)侧壁上设置的电池模块引线出线口(8)将串并联后的电池组正、负极引线与外界连接；电池管理单元(10)通过引线保护罩(6)顶部设置的电池管理单元引线出线口(9)与加热元件电源线、电池状态检测引线和电池控制引线相连。