CN109841910A - 一种液态金属电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液态金属电池，包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中的负极集流组件、至少一个正极组件以及电解质熔盐，所述负极集流组件包括负极，所述负极自所述正极外壳延伸至所述正极外壳外侧；所述负极集流组件与所述正极外壳绝缘设置并形成有密封腔体，所述密封腔体中设置有所述至少一个正极组件并填充有所述电解质熔盐，所述至少一个正极组件固定于所述密封腔体对应的正极外壳内表面上，本发明可提供一种体积小、容量大的液态金属电池。

Description

一种液态金属电池

技术领域

本发明涉及高温储能电池技术领域，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新型的高温储能电池。这种电池通常在300℃～700℃下工作，其正、负电极为液态金属，电解质熔盐为液态或半液态无机熔盐。正极、电解质熔盐、负极材料由于互不相溶，自下而上自动分层。电池工作时，负极液态金属失去电子后经由电解质熔盐层扩散至正极并与正极液态金属形成正极合金而放电。相应地，通过执行以上放电过程的逆过程而充电。液态金属电池独特的材料体系和结构设计使其具有库仑效率高、电流密度高、循环寿命长、安全可靠、成本低廉等突出优点，在规模化电力储能方面具有广阔的应用前景。

由于液态金属电池单体的电压、电流、容量有限，需要通过串并联多个液态金属电池才能满足储能系统的电压、功率、容量等技术指标要求。当储能系统中包含过多的液态金属电池单体时，一方面会增加储能系统的结构复杂度及制造成本，另一方面也会造成电池管理难度的增加，以及系统运行可靠性的降低。为了降低液态金属电池储能系统的制造成本，提高系统运行可靠性，在确保电池单体性能和一致性良好，电池制备工序和生产成本没有显著增加的前提下，要尽量提高电池单体的容量，减少电池单体的串并联数量，从而简化系统结构，降低电池管理难度。

而在现有的电池结构设计中，电池内腔直径主要由电池活性反应界面(液态正极与熔盐的界面)的面积决定。即要根据特定的电池材料体系，通过实验确定合适的单位面积容量。当电池的单位面积容量设计过小时，电池的体积比能量和质量比能量过低，电池储能成本增加。当电池的单位面积容量设计过大时，Li离子在正极中的扩散受阻，极化增大，影响电池性能。一旦得到合适的单位面积容量，电池内腔直径就与电池的设计容量形成固定的比例关系。若要扩大电池容量，就要按比例放大电池内腔直径。为了提高电池单体的容量，电池尺寸也会随之增大，过大的电池尺寸会导致电池组件加工及电池组装困难，造成生产效率降低，生产成本增加，且电池放电时形成的正极难容合金向上拱起，易接触到负极集流体而导致电池短路，当采用多个圆柱形电池单体时，电池单体间的排布间隙增大，会造成储能系统能量密度降低。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种液态金属电池，提供一种体积小、容量大的液态金属电池。

为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种液态金属电池，包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中的负极集流组件、至少一个正极组件以及电解质熔盐，所述负极集流组件包括负极，所述负极自所述正极外壳延伸至所述正极外壳外侧；

所述负极集流组件与所述正极外壳绝缘设置并形成有密封腔体，所述密封腔体中设置有所述至少一个正极组件并填充有所述电解质熔盐，所述至少一个正极组件固定于所述密封腔体对应的正极外壳内表面上。

优选地，每个所述正极组件包括形成有收容槽的支撑结构和设于所述收容槽中的正极材料。

优选地，所述支撑结构包括盆状的支撑架和形成在所述支撑架中央的支撑柱，所述支撑柱与所述支撑架间形成所述收容槽。

优选地，所述支撑架的底面中央形成有凹陷，所述支撑柱的顶部形成有与所述凹陷匹配的第一凸起；

当所述正极组件为多个时，多个正极组件通过凹陷与第一凸起依次匹配连接。

优选地，所述正极外壳内表面的底面形成有与所述凹陷匹配的第二凸起。

优选地，所述第二凸起上形成有第一螺纹，与所述正极外壳底面固定连接的正极组件的凹陷上形成有与所述第一螺纹匹配连接的第二螺纹。

优选地，所述支撑架包括底壁和自底壁边缘相对于底壁垂直延伸的侧壁，所述支撑柱的高度大于所述侧壁的高度。

优选地，所述负极集流组件包括作为负极的导电芯棒、填充有负极液态金属的负极集流体以及与所述导电芯棒和所述负极集流体分别固定连接的多孔导电连接板，所述负极集流体与所述正极外壳内表面绝缘设置。

优选地，所述正极外壳对应所述负极集流体的内表面设有绝缘内衬，所述负极集流体的外侧面与所述绝缘内衬的表面紧密接触以实现与所述正极外壳间的绝缘设置。

优选地，所述绝缘内衬的底部向所述正极外壳内部延伸形成支撑所述负极集流体的凸台。

本发明通过在液态金属电池中设置至少一个正极组件，并设置对应的负极集流组件，在不明显增大液态金属电池的径向尺寸的前提下成倍增加电池的容量，实现液态金属电池的小体积、大容量设计，从而降低了大容量液态金属电池的组件加工和电池组装的难度，提高了生产效率，降低了电池生产成本。同时，大容量的液态金属电池有效解决了过大的电池径向尺寸所造成的多个电池单体排布间隙过大以及储能系统能量密度降低的问题。

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示出现有的液态金属电池的示意图；

图2示出现有容量增大后的液态金属电池的示意图；

图3示出本发明一种液态金属电池一个具体实施例的示意图；

图4示出本发明一种液态金属电池一个具体实施例中支撑结构的示意图；

图5示出本发明一种液态金属电池另一个具体实施例的示意图；

图6示出本发明一种液态金属电池一个具体实施例中负极集流组件的示意图。

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。

如图1所示，液态金属电池通常包括平板负极集流体12、绝缘内衬16、正极材料14、电解质熔盐13、正极盖板112、正极壳体111和绝缘密封组件15。其中，绝缘内衬16与正极壳体111紧密嵌套，正极盖板112与正极壳体111连接形成密闭的电池腔体。电池腔体内从下到上依次填装正极材料14和电解质熔盐13，负极材料吸附在泡沫状负极集流体12中。负极集流体组件12的导电芯棒从正极盖板112中心孔穿出，通过绝缘密封组件15与正极盖板112密封并形成绝缘设置。

为了提高现有的液态金属电池的容量，通常需要增加液态金属电池中液态正极与电解质熔盐的界面面积，则需要按照电池的容量扩大电池的内腔直径，如图2所示。为了将储能系统中单个液态金属电池的电池单体的容量从50Ah扩大到200Ah，液态金属电池的内腔直径必须相应扩大2倍，其内腔横截面积(液态正极与熔盐的界面的面积)必须相应扩大4倍。当电池单体的设计容量超过一定值如300Ah时，过大的电池尺寸会导致一系列问题，例如电池组件加工及电池组装困难，造成生产效率降低，生产成本增加，电池放电时形成的正极难容合金向上拱起，易接触到负极集流体而导致电池短路，当采用多个圆柱形电池单体时，电池单体间的排布间隙增大，会造成储能系统能量密度降低等。

为了提高单个液态金属电池的容量，根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种液态金属电池。

如图3所示，本实施例中，所述液态金属电池包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中的负极集流组件1、至少一个正极组件2以及电解质熔盐10，所述负极集流组件1包括负极，所述负极自所述正极外壳延伸至所述正极外壳外侧。

其中，所述负极集流组件1与所述正极外壳绝缘设置并形成有密封腔体，所述密封腔体中设置有所述至少一个正极组件2并填充有所述电解质熔盐10，所述至少一个正极组件2固定于所述密封腔体对应的正极外壳内表面上。

本发明通过在液态金属电池中设置至少一个正极组件2，并设置对应的负极集流组件1，在不明显增大液态金属电池的径向尺寸的前提下成倍增加电池的容量，实现液态金属电池的小体积、大容量设计，从而降低了大容量液态金属电池的组件加工和电池组装的难度，提高了生产效率，降低了电池生产成本。同时，大容量的液态金属电池有效解决了过大的电池径向尺寸所造成的多个电池单体排布间隙过大以及储能系统能量密度降低的问题。

在优选的实施方式中，本实施例中，正极外壳包括对应固定的正极壳体4和正极盖板5，正极盖板5覆盖正极壳体4的上开口以形成收容负极集流组件1、至少一个正极组件2和电解质熔盐10的电池腔体。正极盖板5与正极壳体4密封设置，正极盖板5与穿过正极盖板5的负极密封并绝缘设置，从而可密封所述电池腔体。

其中，所述正极壳体4可选用带底板的不锈钢圆筒。正极壳体4的厚度可为3～5mm。为了与正极盖板5固定，正极壳体4顶面的内侧可凹陷形成圆台，圆台直径可小于正极壳体4外径2～3mm，圆台深度可为3～5mm。所述正极盖板5可选用中心开口的不锈钢圆板。正极盖板5的厚度与上述圆台深度相同，盖板直径与上述圆台外径相同，可使正极盖板5恰好嵌入正极壳体4中，降低电池体积。盖板中心孔直径优选的大于前述负极集流体组件的负极的直径6～20mm。本实施例中，液态金属电池为圆形结构，即正极外壳为圆柱形，正极外壳内的负极集流体组件和正极组件2优选的也对应设置为圆柱形。在其他实施方式中，液态金属电池的截面也可为三角形、四边形、五边形等多边形等形状。此时，电池的负极集流体组件、组合式的至少一个正极组件2和正极外壳等组件的截面均可相应设计成三角形、四边形、五边形等多边形。

所述绝缘密封组件6为筒状的氧化物(例如氧化锆、氧化镁或氧化铝等)或氮化物(氮化铝或氮化硼等)陶瓷。密封组件的外径和高度与上述正极盖板5的中心通孔相同，其内径与前述负极集流体组件的导电芯棒7的直径相同。

在优选的实施方式中，每个所述正极组件2包括形成有收容槽的支撑结构和设于所述收容槽中的正极材料24。支撑结构形成有收容槽，收容槽中可填装正极材料24，密封腔体中进一步填充有电解质熔盐10，正极材料24与电解质熔盐10接触，电解质熔盐10与负极集流组件1的负极液态金属接触，从而负极液态金属失去电子后经由电解质熔盐10层扩散至正极并与正极液态金属形成正极合金实现放电并可通过逆反应实现充电。其中，正极材料24可为正极液态金属，通过设置支撑结构承装正极液态金属无需为正极液态金属提供吸附载体。

在优选的实施方式中，如图4所示，所述支撑结构包括盆状的支撑架和形成在所述支撑架中央的支撑柱23，所述支撑柱23与所述支撑架间形成所述收容槽。本实施例中，支撑结构包括支撑柱23，一方面，当液态金属电池包括多个正极组件2时，多个正极组件2可上下设置，相邻的两个正极组件2中位于下方的正极组件2通过支撑柱23支撑和定位上方的正极组件2，从而实现多个正极组件2的位置固定与电连接；另一方面，当电池放电时，支撑结构中心的支撑柱23可起到锚钉作用，抑制放电形成的正极合金的拱起，影响液态金属电池的性能和寿命。

本实施例中，液态金属电池包括一个正极组件2。在另一个实施方式中，如图5所示，液态金属电池包括三个正极组件2，可以理解的是，在其他实施方式中，液态金属电池也可以包括其他数量的正极组件2，正极组件2的数量可根据实际需要的电池容量计算确定。

其中，所述支撑架包括底壁21和自底壁21边缘相对于底壁21垂直延伸的侧壁22，所述支撑柱23的高度大于所述侧壁22的高度。支撑架包括一定高度的侧壁22以形成装填正极材料24的收容槽，该侧壁22的高度需低于支撑柱23的高度，从而收容槽中的正极材料24可与电解质熔盐10接触，实现充放电反应。

优选的，所述支撑架可采用石墨材料形成，在其他实施方式中，支撑架还可采用金属钨、钨基合金或带有耐腐蚀导电涂层(如石墨涂层)的不锈钢材质等，此时电池正极壳体4、正极盖板5、负极集流体组件中的导电芯棒7和多孔导电连接板9均需采用与正极支撑架相同的材质。

支撑架侧壁22的内径由其盛装的正极材料24所对应的电池容量确定，即支撑架内径对应的圆面积减去支撑柱23的截面积等于支撑架盛装的正极材料24所需活性反应界面的面积，支撑架侧壁22的壁厚的范围优选为3～10mm，支撑架的深度，即侧壁22顶面到支撑架底壁21内表面的距离，比电池完全放电后形成的正极合金层厚度大5～10mm，防止放电形成的正极合金从支撑架中溢出与负极集流组件1接触导致短路。

在优选的实施方式中，所述支撑架的底面中央形成有凹陷211，所述支撑柱23的顶部形成有与所述凹陷211匹配的第一凸起231。当所述正极组件2为多个时，多个正极组件2通过凹陷211与第一凸起231依次匹配连接。再次参见图3，每个正极组件2的支撑架的底面形成有所述凹陷211，支撑架的支撑柱23顶部形成有所述第一凸起231，位于下方的支撑架通过支撑柱23的第一凸起231与上方正极组件2支撑架底面的凹陷211嵌套固定连接。更优选的，可在所述凹陷211和第一凸起231嵌套的表面形成相匹配的螺纹以连接上下两个正极组件2。

在优选的实施方式中，为了将所述正极组件2固定在密封腔体对应的正极外壳内表面上，可在所述正极外壳内表面的底面上形成与所述凹陷211匹配的第二凸起41，通过凹陷211与第二凸起41的匹配使所述正极外壳与所述正极组件2固定连接。更优选的，所述第二凸起41上可形成第一螺纹，与所述正极外壳底面固定连接的正极组件2的凹陷211上形成有与所述第一螺纹匹配连接的第二螺纹，正极组件2通过凹陷211的第二螺纹和第二凸起41的第一螺纹固定连接。其中，第一螺纹可以为外螺纹也可以为内螺纹，对应的第二螺纹可以为内螺纹或外螺纹。

优选的，支撑柱23顶部的凸台直径根据所需最大通流能力计算确定，凸台高度范围为3～5mm，凸台台阶面直径大于凸台直径1～2mm，凸台顶面高出支撑架侧壁22上端面5～20mm。凹陷211直径与凸台直径相同，深度与凸台高度相同，以匹配嵌套连接。

在优选的实施方式中，如图6所示，所述负极集流组件1包括作为负极的导电芯棒7、填充有负极液态金属的负极集流体8以及与所述导电芯棒7和所述负极集流体8分别固定连接的多孔导电连接板9，所述负极集流体8与所述正极外壳内表面绝缘设置。

其中，优选的，所述导电芯棒7可以选用不锈钢实心棒材，导电芯棒7的直径可根据电池的最大通流要求计算确定，导电芯棒7的长度需要确保电池组装完毕后可从正极盖板5的上表面向外延伸5～10mm。

负极集流体8可选用筒状的镍基泡沫合金，其内径比正极组件2的外径大5～20mm，使负极集流体8套设在正极组件2的外侧并与正极组件2保持一定距离。负极集流体8位于正极组件2沿水平方面的侧面，从而即使在放电时形成正极合金，正极合金向上拱起也不会接触到负极，显著降低了电池的短路风险。负极集流体8的厚度可根据电池容量所需的吸锂量确定，其高度与至少一个正极组件2形成的高度相同。

多孔导电连接板9可为不锈钢材质，厚度1～3mm，其外径与负极集流体8的外径相同，以与负极集流体8连接。多孔导电连接板9进一步与导电芯棒7连接，从而电连接导电芯棒7与负极集流体8。其中，导电芯棒7与多孔导电连接板9可通过焊接连接，多孔导电连接板9与负极集流体8可通过铁丝绞合连接。

优选的，导电芯棒7、负极集流体8和多孔导电连接板9三者的中心轴重合，以使电池中充放电反应均匀。

所述正极外壳对应所述负极集流体8的内表面设有绝缘内衬3，所述负极集流体8的外侧面与所述绝缘内衬3的表面紧密接触以实现与所述正极外壳间的绝缘设置，即负极集流体8的外侧面与绝缘内衬3的内表面贴合，绝缘内衬3将负极集流体8和正极外壳隔离以使负极集流体8与正极外壳绝缘。其中，优选的，绝缘内衬3可为筒状的氧化物，例如氧化锆、氧化镁或氧化铝等，或者氮化物陶瓷，例如氮化铝或氮化硼陶瓷等。

在优选的实施方式中，所述绝缘内衬3的底部向所述正极外壳内部延伸形成支撑所述负极集流体8的凸台。负极集流体8可放置在绝缘内衬3的凸台上以与正极壳体4绝缘，绝缘内衬3既起到绝缘作用也直到支撑作用。当然，在其他实施方式中，负极集流体8也可采用其他方式固定在绝缘内衬3上而无需设置绝缘内衬3凸台，避免设置凸台导致绝缘内衬3加工难度高的问题，本发明对此并不作限定。

优选的，凸台的宽度可与负极集流体8的宽度相同，凸台的高度可与支撑架底壁21的厚度相同。绝缘内衬3的内径与负极集流体8的外径相同，其厚度的范围优选为3～10mm，绝缘内衬3的外径与正极壳体4的内径相同，从而使负极集流体8、绝缘内衬3和正极壳体4自内向外紧密嵌套，以使液态金属电池的结构紧凑，降低大容量电池的体积。其中，绝缘内衬3的上端面优选的高于负极集流体组件的多孔导电连接板9的上端面5～10mm。

优选的，可在正极盖板5的中央开孔以便于负极集流组件1的导电芯棒7通过正极盖板5上的开孔延伸至正极外壳外侧。为了实现导电芯棒7与正极外壳的绝缘密封，可在正极盖板5的开口处固定绝缘密封的绝缘密封组件6，例如耐高温的弹性橡胶圈或绝缘陶瓷环。导电芯棒7与绝缘密封组件6紧密嵌套，从而与正极盖板5密封并绝缘。

需要说明的是，本实施例仅示出了本发明的一个具体例子，在实际应用中，本发明的液态金属电池结构中的各电池组件的尺寸、相对位置和间距等均可根据电池的实际材料体系、组件材质、电池容量、组装工艺等条件的变化而适当调整，这些适当调整得到的方案也在本发明的保护范围内。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种液态金属电池，其特征在于，包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中的负极集流组件、至少一个正极组件以及电解质熔盐，所述负极集流组件包括负极，所述负极自所述正极外壳延伸至所述正极外壳外侧；

所述负极集流组件与所述正极外壳绝缘设置并形成有密封腔体，所述密封腔体中设置有所述至少一个正极组件并填充有所述电解质熔盐，所述至少一个正极组件固定于所述密封腔体对应的正极外壳内表面上。

2.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，每个所述正极组件包括形成有收容槽的支撑结构和设于所述收容槽中的正极材料。

3.根据权利要求2所述的液态金属电池，其特征在于，所述支撑结构包括盆状的支撑架和形成在所述支撑架中央的支撑柱，所述支撑柱与所述支撑架间形成所述收容槽。

4.根据权利要求3所述的液态金属电池，其特征在于，所述支撑架的底面中央形成有凹陷，所述支撑柱的顶部形成有与所述凹陷匹配的第一凸起；

当所述正极组件为多个时，多个正极组件通过凹陷与第一凸起依次匹配连接。

5.根据权利要求4所述的液态金属电池，其特征在于，所述正极外壳内表面的底面形成有与所述凹陷匹配的第二凸起。

6.根据权利要求5所述的液态金属电池，其特征在于，所述第二凸起上形成有第一螺纹，与所述正极外壳底面固定连接的正极组件的凹陷上形成有与所述第一螺纹匹配连接的第二螺纹。

7.根据权利要求3所述的液态金属电池，其特征在于，所述支撑架包括底壁和自底壁边缘相对于底壁垂直延伸的侧壁，所述支撑柱的高度大于所述侧壁的高度。

8.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述负极集流组件包括作为负极的导电芯棒、填充有负极液态金属的负极集流体以及与所述导电芯棒和所述负极集流体分别固定连接的多孔导电连接板，所述负极集流体与所述正极外壳内表面绝缘设置。

9.根据权利要求8所述的液态金属电池，其特征在于，所述正极外壳对应所述负极集流体的内表面设有绝缘内衬，所述负极集流体的外侧面与所述绝缘内衬的表面紧密接触以实现与所述正极外壳间的绝缘设置。

10.根据权利要求9所述的液态金属电池，其特征在于，所述绝缘内衬的底部向所述正极外壳内部延伸形成支撑所述负极集流体的凸台。