CN107785623A - 一种液态金属电池防腐密封结构及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液态金属电池防腐密封结构及其组装方法，包括液态金属电池封接电极、带液封墙的盖板和液封碗托；所述的液态金属电池封接电极包括电极芯，电极芯上设置有上过渡件和下过渡件，上过渡件和下过渡件之间设置有绝缘件；电极芯的底部与液封碗托上部槽底连接，液封碗托下部与负极集流体连接；带液封墙的盖板设置在上过渡件上，且液封墙向下延伸液封碗托上部槽内；液封碗托及带液封墙的盖板内填充加热后固化的液封盐。该结构解决了液态金属电池在常温和高温下长时间工作的防腐和密封，并优化电池的空间利用率，降低电池制备成本等技术问题。

Description

一种液态金属电池防腐密封结构及其组装方法

技术领域

本发明属于储能电池技术领域，涉及一种液态金属电池防腐密封结构及其组装方法。

背景技术

液态金属电池是面向电网级储能应用的新型二次电池。电池负极一般为碱金属或碱土金属的单质或合金，正极一般为能和负极形成合金且与负极有一定电势差的过渡金属单质、合金、或其它化合物。电解质为与负极金属对应的无机盐或其混合物。当电池运行时，其金属电极及无机盐电解质在高温下熔融为液态，并依照密度差异自动分层。放电时，负极金属失去电子，并通过外电路做功。负极金属离子化后通过熔盐迁移到正极并与正极金属合金化。充电时，电池执行相反的过程。通过上述的合金化及去合金化过程，液态金属电池可以完成电能的存储与释放，实现与外部的能量交换。

液态金属电池内部的化学活性成分比较特殊，分别为高温下液态的金属单质或合金以及熔融态的电解质盐。这些材料对空气中的水和氧极为敏感，水氧进入电池极易造成电池短路，电池中的电解质盐等泄露也会对环境造成一定程度的污染。而电池中的这些材料都具有较强的活性，尤其是液态锂，能腐蚀大部分绝缘材料。因此电池需要在绝对密封的情况下运行，正负极之间绝缘材料和结构的选择就成了关键技术。

目前，液态金属电池尚未产业化；已有的专利中，大部分并未涉及到电池的防腐密封，而已有的防腐密封结构，目前也都未能实现产业化的制备标准，大部分是由于密封和绝缘不能够兼得，也有能够实现良好密封的结构，但结构复杂，制备成本以及所占空间较大，影响电池的空间利用率。

针对液态金属电池进行防腐密封结构的设计，解决液态金属电池在常温和高温下长期运行的可靠密封，正负极间的保持良好的绝缘，并提高电池的空间利用率，我们提出了液态金属电池防腐密封结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种液态金属电池防腐密封结构及其组装方法，该结构解决了液态金属电池在常温和高温下长时间工作的防腐和密封，并优化电池的空间利用率，降低电池制备成本等技术问题。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种液态金属电池防腐密封结构，包括液态金属电池封接电极、带液封墙的盖板和液封碗托；所述的液态金属电池封接电极包括电极芯和套设在电极芯上的绝缘件，电极芯上设置有下过渡件，绝缘件与下过渡件连接，绝缘件上设置有与电极芯绝缘的上过渡件；电极芯的底部与液封碗托上部槽底连接，液封碗托下部与负极集流体连接；带液封墙的盖板设置在上过渡件上，且液封墙向下延伸液封碗托上部槽内；液封碗托及带液封墙的盖板内填充加热后固化的液封盐。

所述的绝缘件采用陶瓷材料制备，上过渡件和下过渡件采用金属或合金(如不锈钢、无氧铜、钛合金或可伐合金)材料制备；所述的上过渡件和下过渡件分别与绝缘件焊接密封。

所述的电极芯采用金属材料制备；带液封墙的盖板和液封碗托采用耐腐蚀材料。

所述的电极芯采用非耐腐蚀性金属材料时，电极芯外壁包覆耐腐蚀材料并形成紧配合，电极芯通过耐腐蚀材料与液封碗托连接；当电极芯采用耐腐蚀金属材料时，电极芯直接与液封碗托连接。

所述的上过过渡度件设置有阶梯结构的顶端卡台，带液封墙的盖板内环安装在过渡件的顶端卡台上并焊接固定。

所述的带液封墙的盖板包括圆形的盖板和环形的液封墙，盖板中心设置有用于安装电极芯的通孔。

所述的液封碗托上部为槽部，下部为带螺纹的负极芯，槽部内设置有电极芯安装孔；电极芯的底部外螺纹与液封碗托上部槽底内螺纹配合连接；负极芯与负极集流体相连接。

所述的态金属电池封接电极、带液封墙的盖板和液封碗托同轴设置。

所述的带液封墙的盖板的液封墙外径较液封碗托的内径小，带液封墙的盖板最大直径较液封碗托内径大。

一种液态金属电池防腐密封结构的组装方法，包括以下步骤：

1)将下过渡件、绝缘件和上过渡件依次焊接固定；

2)将液态金属电池封接电极的上过渡件顶端与带液封墙的盖板相匹配，并通过焊接的方式固定，确保气密性良好；将焊接好的带液封墙的盖板倒扣，把熔融的液封盐倒入液封墙内使其填满，待其冷凝；

3)将液封碗托与电极芯下部的相匹配，并固定；

4)将熔融的液封盐倒入液封碗托，使其填满，待其冷却。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术效果：

本发明的防腐密封结构由液态金属电池封接电极、带液封墙的盖板和液封碗托相互配合组成；采用陶瓷封接电极倒扣的结构，可以有效的提高电池的空间利用率，在电池内部空间占用并未提高的前提下，极大的缩小的电池外部的尺寸。采用盖板加液封墙与液封碗托配合的结构，能够减少液封盐的使用量，降低成本，并有效提高液封效果。该结构解决了液态金属电池在常温和高温下长时间工作的防腐和密封，并优化电池的空间利用率，降低电池制备成本等技术问题。

进一步，该防腐密封结构采用结构优化设计的陶瓷封接电极，一方面通过具有良好绝缘性的陶瓷实现正负极间的良好绝缘。陶瓷金属化工艺，能够实现电池导电壳体与陶瓷绝缘材料之间的良好密封。陶瓷、不锈钢或其他金属结构，都具有良好的高温耐受性。通过优化设计后的陶瓷封接电极，不仅降低封接电极所占空间，实现电池空间利用率的大幅度提高，而且能够实现常温高温下电池密封性的良好保持。

进一步，采用螺纹结构进行液封碗托与封接电极之间的连接，有效的防止了紧密配合或焊接造成的液封盐泄露风险。

本发明的组装方法，通过分别向带液封墙的盖板和液封碗托中添加液封盐实现电极的密封，该方法简单，制备过程由上而下，由内而外，有效的确保电池电极长时间工作的防腐和密封性能。

附图说明

图1是装配好的液态金属电池防腐密封结构示意图。

图2是装配好的液态金属电池防腐密封结构三维图。

图3是液态金属电池封接电极示意图。

图4是带液封墙的盖板示意图。

图5是液封碗托示意图。

图6是装配好的电池充放电曲线示意图。

其中，1为液态金属电池封接电极，2为带液封墙的盖板，3为液封碗托，4为电极芯，5为上过渡件，6为绝缘件，7为下过渡件。

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。以下分别以装置结构和方法分别说明：

请参阅图1-3，一种液态金属电池防腐密封结构，包括液态金属电池封接电极1、带液封墙的盖板2和液封碗托3；液态金属电池封接电极1中的绝缘件6采用陶瓷材料，上过渡件5和下过渡件7采用可伐合金材料，电极芯4采用不锈钢、铜、可伐合金等金属材料进行加工制造；带液封墙的盖板2和液封碗托3采用不锈钢等耐腐蚀材料；液态金属电池封接电极1、带液封墙的盖板2、液封碗托3均采用同轴或不同轴设计；带液封墙的盖板2和液封碗托3分别与液态金属电池封接电极1相匹配。

当液态金属电池封接电极1中电极芯4采用铜材料时，需要用不锈钢管或可伐合金等耐腐蚀的材料包覆电极芯4并形成紧配合；此时，将不锈钢管或可伐合金底部加工的螺纹与液封碗托3的内螺纹进行匹配。当电极芯4采用不锈钢或可伐合金等耐腐蚀材料时，直接在电极芯4上开螺纹与液封碗托3的内螺纹进行匹配。

如图3所示，液态金属电池封接电极1中，上过渡件5和下过渡件7分别与绝缘件6保持良好焊接，下过渡件7与电极芯4之间良好焊接气密性好，在高温下不开裂；带液封墙的盖板2液封墙外径较液封碗托3的内径小，带液封墙的盖板2盖板最大直径较液封碗托3内径大；液封碗托3下方带螺纹的结构作用是与电池的负极集流体相连接。

如图4和5所示，通过液态金属电池封接电极1顶端卡台与带液封墙的盖板2内环进行焊接对液态金属电池封接电极1进行水平及轴向定位；通过液态金属电池封接电极1底部螺纹与带内螺孔的液封碗托3匹配对液封碗托3进行水平及轴向方向的定位，通过将螺丝拧到最紧的方式防止液封碗托3发生旋转。

液态金属电池封接电极1陶瓷内壁被密封的一侧在下，与正常使用方向相反，呈倒立状。

本发明提供的液态金属电池防腐密封结构按照图示进行组件加工，首先，将图1液态金属电池封接电极1第一个平台处与带液封墙的盖板2内环焊接在一起，确保二者同轴；第二步，将焊接好的结构倒扣，把熔融的液封盐倒入液封墙内使其填满，待其冷凝；第三步，将液封碗托内螺纹与图1液态金属电池封接电极1底端外螺纹拧紧；最后，将熔融的液封盐倒入液封碗托3，使其填满，待其冷却。

本发明的液态金属电池防腐密封结构中，采用倒扣组装陶瓷封接电极的方法，把封接电极的有效结构放置到电池内部，不仅能够充分利用陶瓷封接电极在常温及高温下的密封绝缘性能，还能够极大的节约电池外部空间；同时，对封接电极结构进行优化设计，封接电极尺寸能够充分利用电池内部预留的额外空间，使封接电极在电池内部所占的额外空间并不比正放封接电极增加。

采用盖板加液封墙与液封碗托配合的结构，能够减少液封盐的使用量，降低成本；并有效提高液封效果。

采用螺纹结构进行液封碗托与封接电极之间的连接，有效的防止了紧密配合或焊接造成的液封盐泄露风险。

如图6所示，装配好的电池充放电曲线示意图，可以得出采用本发明所述防腐密封结构设计及组装方法，制备出了能够高效稳定充放电的液态金属电池。

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防腐密封结构，其特征在于，包括液态金属电池封接电极(1)、带液封墙的盖板(2)和液封碗托(3)；所述的液态金属电池封接电极(1)包括电极芯(4)和套设在电极芯(4)上的绝缘件(6)，电极芯(4)上设置有下过渡件(7)，绝缘件(6)与下过渡件(7)连接，绝缘件(6)上设置有与电极芯(4)绝缘的上过渡件(5)；电极芯(4)的底部与液封碗托(3)上部槽底连接，液封碗托(3)下部与负极集流体连接；带液封墙的盖板(2)设置在上过渡件(5)上，且液封墙向下延伸液封碗托(3)上部槽内；液封碗托(3)及带液封墙的盖板(2)内填充加热后固化的液封盐。

2.根据权利要求1所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的绝缘件(6)采用陶瓷材料或绝缘玻璃制备，上过渡件(5)和下过渡件(7)采用金属或合金材料制备；所述的上过渡件(5)和下过渡件(7)分别与绝缘件(6)焊接密封。

3.根据权利要求1所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的电极芯(4)采用金属材料制备；带液封墙的盖板(2)和液封碗托(3)采用耐腐蚀材料。

4.根据权利要求3所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的电极芯(4)采用非耐腐蚀性金属材料时，电极芯(4)外壁包覆耐腐蚀材料并形成紧配合，电极芯(4)通过耐腐蚀材料与液封碗托(3)连接；当电极芯(4)采用耐腐蚀金属材料时，电极芯(4)直接与液封碗托(3)连接。

5.根据权利要求1所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的上过渡件(5)设置有阶梯结构的顶端卡台，带液封墙的盖板(2)内环安装在过渡件(5)的顶端卡台上并焊接固定。

6.根据权利要求1所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的带液封墙的盖板(2)包括圆形或方形的盖板和环形的液封墙，盖板中心设置有用于安装电极芯(4)的通孔。

7.根据权利要求1所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的液封碗托(3)上部为槽部，下部为带螺纹的负极芯，槽部内设置有电极芯安装孔；电极芯(4)的底部外螺纹与液封碗托(3)上部槽底内螺纹配合连接；负极芯与负极集流体相连接。

8.根据权利要求1所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的液态金属电池封接电极(1)、带液封墙的盖板(2)和液封碗托(3)同轴设置。

9.根据权利要求1所述的液态金属电池防腐密封结构，其特征在于：所述的带液封墙的盖板(2)的液封墙外径较液封碗托(3)的内径小，带液封墙的盖板(2)最大直径较液封碗托(3)内径大。

10.权利要求1至9任意一项所述的液态金属电池防腐密封结构的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将下过渡件(7)、绝缘件(6)和上过渡件(5)依次焊接固定；

2)将液态金属电池封接电极(1)的上过渡件(5)顶端与带液封墙的盖板(2)相匹配，并通过焊接的方式固定，确保气密性良好；将焊接好的带液封墙的盖板(2)倒扣，把熔融的液封盐倒入液封墙内使其填满，待其冷凝；

3)将液封碗托(3)与电极芯(4)下部的相匹配，并固定；

4)将熔融的液封盐倒入液封碗托(3)，使其填满，待其冷却。