CN107946668A - 一种液态金属电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液态金属电池技术领域，尤其涉及一种液态金属电池。能够减小绝缘埚与金属电池壳体之间的密封范围，降低了正负电极材料和电解盐泄漏的风险，提升电池的安全性能和使用寿命。本发明的一种液态金属电池，包括：金属电池壳体，以及设置在金属电池壳体内部的绝缘埚，绝缘埚为下端封闭、上端开口的筒状结构，绝缘埚内从下到上依次设置有正极材料、电解质以及负极材料；其中，绝缘埚上开设有连通正极材料和金属电池壳体的通孔，正极材料和金属电池壳体通过穿设于通孔的正极引出线电连接，正极引出线与通孔之间密封连接。

Description

一种液态金属电池

技术领域

本发明涉及液态金属电池技术领域，尤其涉及一种液态金属电池。

背景技术

液态金属电池是一种高温电池，在运行时，液态金属电池的所有部分都以液态形式存在：低密度液态金属负极、熔融盐电解质、高密度液态金属正极。由于彼此之间的密度不同、互不相溶，因此三部分自然地分为三层。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正负电极材料和熔融盐的化学性质均非常活泼，极易与空气中的水和氧发生反应使电池失效，因此，液态金属电池在常温和高温条件下的整体密封是至关重要的安全性问题。

在现有技术中，为了实现液态金属电池的密封，通常采用金属电池壳体对正负电极材料和电解盐进行封装，然而，当液态金属电池在高温下工作时，正负电极之间要保持绝缘隔离，才能在其允许的情况下，按照规定的路径进行充放电，为了防止电池内部正负极短路，通常采用在金属电池壳体的内壁上涂覆绝缘陶瓷层的方式，或者，在金属电池壳体内部加装绝缘陶瓷管的形式，如图1所示，绝缘陶瓷管2与金属电池壳体1的底部采用高温密封胶进行密封，以实现正负电极材料和电解盐在绝缘陶瓷管2内的封装，同时，还能够实现正负电极材料之间的绝缘。

然而，通过在金属电池壳体的内壁上涂覆绝缘陶瓷层以防止正负极短路时，加工工艺复杂，成本较高，且绝缘陶瓷层与金属电池壳体的热膨胀系数不同，在高温运行环境下容易发生绝缘陶瓷层的开裂以及脱落；在通过在金属电池壳体内部设置绝缘陶瓷管以防止正负极短路时，绝缘陶瓷管的底部与金属电池壳体的底部需涂抹耐高温的绝缘密封胶，若局部位置发生开裂，极易发生正负电极材料和电解盐的泄漏，造成电池性能下降甚至失效，并且，随着熔融态的正负电极材料和电解盐对金属电池壳体的腐蚀，很容易造成正负电极材料和熔融电解盐的泄漏，从而容易引发火灾和爆炸。

发明内容

本发明的实施例提供一种液态金属电池，能够减小绝缘埚与金属电池壳体之间的密封范围，降低了正负电极材料和电解盐泄漏的风险，提升电池的安全性能和使用寿命。

为达到上述目的，本发明的实施例提供了一种液态金属电池，包括：

金属电池壳体，以及设置在金属电池壳体内部的绝缘埚，绝缘埚为下端封闭、上端开口的筒状结构，绝缘埚内从下到上依次设置有正极材料、电解质以及负极材料；

其中，绝缘埚上开设有连通正极材料和金属电池壳体的通孔，正极材料和金属电池壳体通过穿设于通孔的正极引出线电连接，正极引出线与通孔之间密封连接。

可选的，通孔开设于绝缘埚的底部，或者绝缘埚靠近底部的侧壁上。

可选的，正极引出线以曲线形式延伸设置。

可选的，正极引出线由热膨胀系数为6×10^-6/℃-10×10^-6/℃的金属材料制成。

可选的，绝缘埚的侧壁与金属电池壳体的侧壁之间留有间隙，间隙大于等于绝缘埚厚度的10％小于等于绝缘埚厚度的80％。

可选的，绝缘埚的底部外侧面与金属电池壳体的底部内侧面之间的高度差介于正极引出线的厚度的1.5倍-5倍之间。

可选的，正极引出线一端穿过通孔与金属电池壳体电连接，另一端伸入正极材料内与正极材料电连接。

可选的，金属电池壳体包括上半部分壳体和下半部分壳体，其中，绝缘埚位于下半部分壳体内，上半部分壳体密封连接有负极棒，并通过将负极棒的一端伸入负极材料中与下半部分壳体密封连接，负极棒的另一端位于金属电池壳体的外部。

可选的，上半部分壳体和下半部分壳体密封连接。

本发明实施例提供一种液态金属电池，通过将绝缘陶瓷管替换为绝缘埚，在绝缘埚上开设连通正极材料和金属电池壳体的通孔，并将正极引出线穿设于通孔实现正极材料和金属电池壳体的电连接，仅需要对通孔与正极引出线之间的间隙进行密封即可，与现有技术中将正极材料直接与金属电池壳体电连接，需要将绝缘陶瓷管的整个底部与金属电池壳体之间密封相比，能够减小绝缘埚与金属电池壳体之间的密封范围，降低了正负电极材料和电解盐泄漏的风险，从而能够提高电池的密封性能，提升电池的安全性能和使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的一种液态金属电池的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种液态金属电池的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种液态金属电池的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的再一种液态金属电池的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种液态金属电池，参见图2，包括：

金属电池壳体1，以及设置在金属电池壳体1内部的绝缘埚2，绝缘埚2为下端封闭、上端开口的筒状结构，绝缘埚2内从下到上依次设置有正极材料、电解质以及负极材料；

其中，绝缘埚2上开设有连通正极材料和金属电池壳体1的通孔21，正极材料和金属电池壳体1通过穿设于通孔21的正极引出线3电连接，正极引出线3与通孔21之间密封连接。

绝缘埚是指由绝缘材料制成的类似土锅的结构。

本发明实施例提供一种液态金属电池，通过将绝缘陶瓷管替换为绝缘埚2，在绝缘埚2上开设连通正极材料和金属电池壳体1的通孔21，并将正极引出线穿设于通孔21实现正极材料和金属电池壳体1的电连接，仅需要对通孔与正极引出线3之间的间隙进行密封即可，与现有技术中将正极材料直接与金属电池壳体1电连接，需要将绝缘陶瓷管的整个底部与金属电池壳体1之间密封相比，能够减小绝缘埚与金属电池壳体之间的密封范围，降低了正负电极材料和电解盐泄漏的风险，从而能够提高电池的密封性能，提升电池的安全性能和使用寿命。

其中，绝缘埚可以由任何绝缘材料制成，例如陶瓷材料等。

进一步地，在本发明实施例中，陶瓷锅2与金属电池壳体1不直接接触，为金属电池壳体1的制作材质带来了更广泛的选择，可选择任意一种金属作为电池壳体材料，而不是将金属电池壳体1的材质限制在低膨胀系数的材质范围内，能够降低电池成本。

其中，正极引出线3与通孔21可通过高温密封胶密封连接。

随着电池充放电的进行，正极材料逐渐减少，为了实现正极的正常导出，优选的，通孔21开设于绝缘埚2的底部22(如图3和图4所示)，或者开设于绝缘埚2靠近底部22的侧壁23上(如图2所示)。

其中，对正极引出线3与金属电池壳体1和正极材料的连接方法不做限定。

在实际应用中，由于正极材料在常温下为粉末，在高温下运行时，正极材料为填充在陶瓷锅2底部的液态金属，因此，优选的，正极引出线3的一端穿过通孔21与金属电池壳体1电连接，另一端伸入正极材料内与正极材料电连接。

由于金属电池壳体1通常为不锈钢材质或者低碳钢，因此，优选的，正极引出线3可以通过焊接或者铆接与金属电池壳体1电连接。

其中，对正极引出线3在正极材料中的设置方式不做限定，正极引出线3伸入正极材料的一端可以贴附于绝缘埚2的底部22延伸设置(如图2所示)，也可以插设于绝缘埚2的中部(如图4所示)。

其中，需要说明的是，当正极引出线3穿设于绝缘埚2底部22的通孔21与金属电池壳体1电连接时，由于绝缘埚2与金属电池壳体1之间仅通过正极引出线3和金属电池壳体1焊接形成点连接，其在正极材料内容易发生晃动，因此，优选的，如图4所示，正极引出线3靠近绝缘埚2的底面处套设有用于固定正极引出线3的导电金属环片4。这样一来，一方面能够避免正极引出线3晃动，另一方面能够增大与正极材料接触的导电材料的面积，提高导电效果。

本发明的又一实施例中，正极引出线3以曲线形式延伸设置。以曲线形式延伸设置是指正极引出线与正极材料连接的一端到正极引出线与金属电池壳体连接的一端之间预留一定的伸缩量，能够实现绝缘埚2和金属电池壳体1之间的柔性连接。

优选的，正极引出线3由热膨胀系数为6×10^-6/℃-10×10^-6/℃的金属材料制成。物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(P一定)下，单位温度变化所导致的体积变化，即热膨胀系数表示，在实际应用中，由于正极引出线3设置在高温区，与正极材料直接接触，并与绝缘埚2上的通孔21通过高温密封胶密封连接，因此，选择热膨胀系数接近于绝缘材料的金属材料作为正极引出线3，能够避免在高温下正极引出线3和绝缘埚2之间开裂的现象发生。

其中，金属材料的制作工艺和组成不同，其所具有的热膨胀系数也不同，例如不锈钢，有的不锈钢的热膨胀系数较大，而有的不锈钢的热膨胀系数较小，因此，正极引出线3可以选自热膨胀系数较小的不锈钢、钨、钼、钽、镍和钛中的任意一种。这些材质所制成的正极引出线3耐高温、耐腐蚀性较强，导电性好，可以提升电池的导电性能。

进一步地，与现有技术中直接将金属电池壳体作为正极引出线相比，本发明实施例通过采用极少量的这些材料作为正极引出线3就能够实现正极的导出，不需要将整个金属电池壳体换成这些材料，从而能够在节约成本的情况下大幅提升电池的导电性能。

本发明的又一实施例中，参见图2、图3和图4，绝缘埚2的侧壁23与金属电池壳体1的侧壁13之间留有间隙d1。由于绝缘埚2位于高温区域，因此，通过在绝缘埚2和金属电池壳体1之间留有间隙d1，能够避免在高温下绝缘埚2和金属电池壳体1膨胀而产生挤压，造成绝缘埚2的破裂，另外，通过预留出间隙d1，还有利于通孔21或者正极引出线3与金属电池壳体1之间焊接操作的进行。

为了实现正负电极的绝缘密封，优选的，间隙d1大于等于绝缘埚2厚度d2的10％小于等于绝缘埚2厚度d2的80％。

本发明的又一实施例中，继续参见图2、图3和图4，绝缘埚2的底部22外侧面与金属电池壳体1的底部12内侧面之间的高度差H介于正极引出线3的厚度d3的1.5倍-5倍之间。通过在金属电池壳体1的底部12预留出一定的空间，一方面方便通孔21或者正极引出线3与金属电池壳体1之间焊接操作的进行，另一方面可以为绝缘埚2预留出一定的膨胀空间，避免绝缘埚2和金属电池壳体1之间挤压而发生破裂。

进一步地，通过预留出一定的空间，还可以在绝缘埚2和金属电池壳体1之间的间隙中填充高温隔热棉，能够避免绝缘埚2发生晃动的同时，对高温环境进行保温，同时，由于高温隔热棉为柔性材料，能够对绝缘埚2的热膨胀进行缓冲，避免绝缘埚2与金属电池壳体1直接刚性挤压而发生破裂。

其中，需要说明的是，在实际应用中，正极引出线3与金属电池壳体1焊接或者铆接之后，还可以在金属电池壳体1上开设通孔将正极引出线3引出，与外电路电连接，这样一来，还能够进一步减小电池的电阻，提高电池性能。

进一步地，通过引出正极引出线3在金属电池壳体1上开设的通孔与正极引出线3之间也可以密封连接。能够保持电池运行的高温环境。

本发明的又一实施例中，继续参见图2、图3和图4，金属电池壳体1包括上半部分壳体11和下半部分壳体12，其中，绝缘埚2位于下半部分壳体12内，上半部分壳体11密封连接有负极棒5，并通过将负极棒5的一端伸入负极材料中与下半部分壳体12密封连接，负极棒5的另一端位于金属电池壳体1的外部。

在本发明实施例中，将金属电池壳体1由两部分组成，在组装电池时，可以先将绝缘埚2的开口朝上放置于下半部分壳体12内，将连接正极材料和金属电池壳体1的正极引出线3穿设于通孔21并与通孔21密封连接，向绝缘埚2内依次加入正极材料、电解盐和负极材料，再将密封连接有负极棒5的上半部分壳体11与下半部分壳体12密封连接，使得负极棒5的一端伸入负极材料中，另一端位于上半部分壳体11的外部。有利于电池的密封和组装。

本发明的一优选实施例中，上半部分壳体11和下半部分壳体12密封连接。如可通过螺栓和密封垫配合的方式实现密封连接。借鉴真空设备中金属法兰密封的方法，使用螺栓6进行固定，与焊接方式相比，可随时拆卸，从而能够对电池进行更换和维修。

其中，对上半部分壳体11与负极棒5的连接方式不做限定，由于上半部分壳体11通常为金属材质，因此，上半部分壳体11可以与负极棒5通过钎焊的方式密封连接，具体的，负极棒5可以穿设于上半部分壳体11的中部。

为了进一步提高绝缘效果，优选的，上半部分壳体11和负极棒5之间还可以设置有负极绝缘陶瓷7。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种液态金属电池，其特征在于，包括：

金属电池壳体，以及设置在所述金属电池壳体内部的绝缘埚，所述绝缘埚为下端封闭、上端开口的筒状结构，所述绝缘埚内从下到上依次设置有正极材料、电解质以及负极材料；

其中，所述绝缘锅上开设有连通所述正极材料和所述金属电池壳体的通孔，所述正极材料和所述金属电池壳体通过穿设于所述通孔的正极引出线电连接，所述正极引出线与所述通孔之间密封连接。

2.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述通孔开设于所述绝缘埚的底部，或者开设于所述绝缘埚靠近底部的侧壁上。

3.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述正极引出线以曲线形式延伸设置。

4.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述正极引出线由热膨胀系数为6×10^-6/℃-10×10^-6/℃的金属材料制成。

5.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述绝缘埚的侧壁与所述金属电池壳体的侧壁之间留有间隙；所述间隙大于等于所述绝缘埚厚度的10％小于等于所述绝缘埚厚度的80％。

6.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述绝缘埚的底部外侧面与所述金属电池壳体的底部内侧面之间的高度差介于所述正极引出线的厚度的1.5倍-5倍之间。

7.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述正极引出线一端穿过所述通孔与所述金属电池壳体电连接，另一端伸入所述正极材料内与所述正极材料电连接。

8.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述正极引出线靠近所述绝缘埚的底面处套设有用于固定所述正极引出线的导电金属环片。

9.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，

所述金属电池壳体包括上半部分壳体和下半部分壳体，其中，所述绝缘埚位于所述下半部分壳体内，所述上半部分壳体密封连接有负极棒，并通过将所述负极棒的一端伸入所述负极材料中与所述下半部分壳体密封连接，所述负极棒的另一端位于所述金属电池壳体的外部。

10.根据权利要求9所述的液态金属电池，其特征在于，

所述上半部分壳体和所述下半部分壳体密封连接。