CN109935747A - 用于高温反应性材料装置的密封件 - Google Patents

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Abstract

本公开内容提供了用于在升高的温度下操作并且具有诸如锂、钠或镁等反应性金属蒸气的装置的密封件。在一些示例中，这样的装置包括可以在电网内或作为独立系统的一部分使用的储能装置。所述储能装置可以从电力生产源充电以备后期放电，诸如在有电能消耗需求时放电。

Description

用于高温反应性材料装置的密封件
本申请是2014年10月16日提交的发明名称为“用于高温反应性材料装置的密封件”的第201480068801.X号中国专利申请(国际申请号PCT/US2014/060979)的分案申请。
交叉引用
本申请要求提交于2013年10月16日的美国临时申请号61/891,784、提交于2013年10月16日的美国临时申请号61/891,789以及提交于2014年1月22日的美国临时申请号61/930,298的权益，上述每个申请均通过引用而全文并入于此。
发明背景
各种装置被配置用于在升高的温度(或高温)下使用。这类装置的示例包括升高温度的电池，所述电池是能够将储存的化学能转化为电能的装置。电池可用于许多家庭应用和工业应用。高温装置的另一示例是诸如那些在半导体装置的制造中所使用的化学气相沉积室。高温装置的另一示例是设计用于加工、运输、包含和/或储存反应性金属的化工器皿、输送管或储存器皿。这些装置通常可以在300℃或超过300℃的温度下操作。
发明内容
本文认识到与温度升高的装置(或高温装置)相关联的各种限制。例如，一些电池在高温(例如，至少约100℃或300℃)下操作并且具有可能需要充分包含于所述装置内的反应性材料蒸气(例如反应性金属蒸气，举例而言诸如锂、钠、钾、镁或钙的蒸气)。高温反应性材料装置的其他示例包括使用熔融的盐或金属(例如，熔融的钠或锂或者熔融的含钠或锂的合金)作为冷却剂的核(例如，聚变)反应堆、用于制造半导体的装置、非均匀反应堆和用于生产(例如，加工)和/或处理(例如，运输或储存)反应性材料(例如，举例而言诸如具有强化学还原能力的化学制品等反应性化学制品，或者举例而言诸如锂或钠等反应性金属)的装置。这样的装置在使用过程中可能需要被充分地密封以隔开外部环境，举例而言诸如用以防止装置故障、延长装置使用或避免对这样的装置的用户或操作者的健康造成不利影响。
本公开内容为具有(例如，包含或包括)反应性材料(例如，反应性金属)并且在高温下(例如，至少约100℃或300℃)操作的储能装置和其他装置提供密封件。所述储能装置(例如，电池)可以在电网内或作为独立系统的一部分使用。所述电池可以从电力生产源充电，以备后期在有电能消耗需求时放电。
本公开内容的一方面针对一种高温装置，所述高温装置包括：(a)容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及(b)密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括(i)暴露于所述反应性金属和/或熔盐的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐有化学抗性；(ii)与所述陶瓷材料相邻的金属套环；以及安置在所述陶瓷材料与所述金属套环和所述容器中的至少一个之间的活性金属钎焊接头，其中所述活性金属钎焊接头包括将所述陶瓷材料化学还原(“chemicallyreduce”)的至少一种金属。
本公开内容的另一方面涉及一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括陶瓷材料、钎焊材料和套管。
本公开内容的另一方面涉及一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属组合物被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其将所述导体密封至所述导电外壳，其中所述密封件提供了在至少约25℃的温度下不超过约1×10-6大气压-立方厘米每秒(atm-cc/s)的氦气泄露率。
本公开内容的另一方面针对一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属组合物被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中跨所述密封件的阻抗在所述操作温度下至少约为1千欧姆。
本公开内容的另一方面针对一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其包括结合至金属套环并且连接至所述导体和所述导电外壳的电绝缘陶瓷，其中所述密封件使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述电绝缘陶瓷具有小于6μm/m/℃的热膨胀系数(CTE)，并且其中所述金属套环的CTE与所述电绝缘陶瓷的CTE的差异小于60％。
本公开内容的另一个方面提供了一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括热膨胀系数(CTE)与所述导电外壳和/或所述导体的CTE的差异为至少10％的材料，并且其中所述密封件具有几何形状以使得所述电化学单体被气密地密封。
在本公开内容的另一方面中，提供了一种高温装置。所述装置包括：(a)容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及(b)密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括：(i)暴露于所述反应性金属和/或熔盐的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐具有化学抗性；以及(ii)接合至所述陶瓷材料的第一金属套环，其中所述第一金属套环具有小于8ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。
本公开内容的另一方面提供了一种用于选择材料以形成用于包含反应性材料的高温装置的密封件的方法。所述方法包括基于每一种所述材料的增加或减少的生成吉布斯自由能(ΔGr)对材料集进行等级排序；选择等级排序的材料的子集，其中所选择的材料保持等级排序的；以及基于选择的等级排序的材料选择密封材料集，从而当提供在所述密封件中时消除了所选择的等级排序的材料劣化的驱动力。
本公开内容的另一方面提供了一种电化学单体，所述电化学单体包括容器，所述容器包含维持在至少约200℃的温度下的反应性材料。所述电化学单体还包括密封件，所述密封件穿过所述容器并且将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括暴露于所述反应性材料的陶瓷组件和接合至所述陶瓷组件的金属套环。所述密封件是以圆周配置布置的，所述圆周配置导致所述金属套环到所述陶瓷导体上的径向压缩力，并且所述密封件被配置为具有相对于垂直定向约20度的锥角。
本公开内容的另一方面提供了一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)容器，其包含维持在至少约200℃的温度下的反应性材料；以及(b)所述容器中的密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括暴露于所述反应性材料的陶瓷组件和接合至所述陶瓷组件的金属套环，其中所述密封件以带有一个或多个密封交界面的堆叠配置进行布置，所述一个或多个密封交界面垂直于与穿过所述密封件的导体平行的方向。
本公开内容的另一方面提供了一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)容器，其包含一种或多种包括维持在至少约100℃的温度下的液体组分和气体组分的材料，其中至少一种所述材料是反应性材料；以及(b)所述容器中的密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件被配置为在临界压力之上或在临界温度之上的压力减轻组件。所述密封件被提供在邻近于所述容器内部的顶部空间，其中所述顶部空间包含所述气体组分，并且其中所述顶部空间在所述液体组分之上。
本公开内容的又一方面针对一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)容器，其包含维持在至少约200℃的温度下的反应性材料；以及(b)密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括暴露于所述反应性材料的陶瓷材料和接合至所述陶瓷材料的金属套环，其中所述金属套环的热膨胀系数(CTE)与所述陶瓷材料的CTE的差异小于30％，并且其中所述金属套环是铁合金。
本公开内容的再一方面涉及用于将反应性材料包含于高温装置中的密封件。所述密封件包括陶瓷材料，所述陶瓷材料是电隔离的，并且具有比与所述反应性材料和共有元素(“common element”)相关联的第一化合物的生成吉布斯自由能(ΔGr,n)更为负的(“morenegative”)的归一化的ΔGr,n；以及活性钎焊材料，其与所述反应性材料是化学稳定的，其中与所述活性钎焊材料和所述共有元素相关联的第二化合物的ΔGr,n比所述陶瓷材料的ΔGr,n更为负。
通过以下详细描述，本公开内容的附加方面和优点将会对于本领域技术人员变得显而易见，其中仅仅示出和描述了本公开内容的说明性实施方式。如将会意识到的，本公开内容能够具有其他和不同的实施方式，并且在各个显而易见的方面中其若干细节都能够进行修改，所有这些都不偏离本公开内容。因此，附图和说明书要被认为实际上是说明性的而非限制性的。
援引并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同具体地且单独地指明每个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。
附图说明
所附权利要求书中具体阐述了本发明的新颖特征。通过参考对在其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图(本文中也称为“附图”或“图”)，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在附图中：
图1是电化学单体(A)和电化学单体(B和C)的编组(例如，电池)的示意图；
图2是外壳的截面示意图，所述外壳具有导体，该导体穿过外壳中的孔径与集流体电连通；
图3是电化学单体或电池的截面侧视图；
图4是具有中间金属层的电化学单体或电池的截面侧视图；
图5是具有用介电密封组件与外壳电绝缘的馈通体(“feed-through”)的电化学单体的截面示意图；
图6示出了结合至共用的盖组装件中的集流体的示例(A和B)；
图7示出了对于各种类型的钢和绝缘陶瓷以百万分率(ppm)每摄氏度为单位的热膨胀系数；
图8示出了对于各种类型的套管或套环材料、钎焊材料和绝缘陶瓷以分率(p)每摄氏度为单位的热膨胀系数；
图9示出了在负数为更具热力学稳定性的温度范围内各种材料的生成吉布斯(Gibbs)自由能(ΔGr)；
图10示出了可以补偿热膨胀系数不匹配的特征的示例；
图11示出了具有钎焊的陶瓷密封件的电化学单体；
图12示出了钎焊的陶瓷密封件的示意绘图，其中材料关于单体的内部和外部环境是热力学稳定；
图13示出了密封件，其中陶瓷材料和/或钎焊材料关于内部和外部环境并非热力学稳定的；
图14示出了钎焊的陶瓷密封件的示例；
图15示出了钎焊的陶瓷密封件的示例；
图16示出了钎焊的陶瓷密封件的示例；
图17示出了钎焊的陶瓷密封件的示例；
图18示出了密封件的示例，其具有带有氧化钇(Y2O3)涂层和铁基钎焊接头的氧化铝或氧化锆密封件；
图19示出了子组装件的示例；
图20示出了子组装件的形状能够如何适应热膨胀系数不匹配；
图21示出了具有安置于一个或多个金属套管之间的多个陶瓷绝缘体的密封件设计；
图22示出了密封件上的力的示例；
图23示出了具有安置于一个或多个金属套管之间的单一陶瓷绝缘体的密封件设计；
图24示出了单体帽组装件；
图25示出了密封件的示例和特征；
图26示出了密封件的示例和特征；
图27示出了密封件的示例和特征；
图28示出了单体封装包(“cell pack”)的示例；
图29示出了导电馈通体的顶部和单体的底部之间的钎焊连接的示例；
图30示出了基于热膨胀系数的差异在电池的操作温度下使用形成的部件之间的压缩连接来接合两个单体的示例；
图31示出了一叠单体封装包的示例，也称作芯体(“core”)；以及
图32示出了用于选择材料以基于等级排序的生成自由能选择过程形成密封件的方法的示例。
具体实施方式
虽然本文已经示出和描述了本发明的各个实施方式，但对于本领域技术人员将显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员在不偏离本发明的情况下可想到许多变体、改变和替代。应当理解，可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。应当理解，本发明的不同方面可以单独地、共同地或彼此组合地理解。
本文所使用的术语“单体”一般是指电化学单体(“cell”)。单体可以包括材料‘A’制成的负电极和材料‘B’制成的正电极，表示成A||B。正电极和负电极可以由电解质分隔开。单体还可以包括外壳、一个或多个集流体和高温电隔离密封件。在一些情况下，单体可以为约4英寸宽、约4英寸深且约2.5英寸高。在一些情况下，单体可以为约8英寸宽、约8英寸深且约2.5英寸高。在一些示例中，电化学单体的任何给定尺寸(例如，高度、宽度或深度)可以至少约为1、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、12、14、16、18或20英寸。在一个示例中，单体(例如，每个单体)可以具有约4英寸×4英寸×2.5英寸的尺寸。在另一示例中，单体(例如，每个单体)可以具有约8英寸×8英寸×2.5英寸的尺寸。在一些情况下，单体可以具有约至少约70瓦时(Watt-hour)的储能容量。在一些情况下，单体可以具有至少约300瓦时的储能容量。
本文所使用的术语“模块”一般是指例如通过将一个单体的单体外壳与相邻单体的单体外壳机械地连接起来而并联地附接在一起的单体(例如，在大致水平的封装平面上连接在一起的单体)。在一些情况下，单体是通过接合特征彼此连接的，所述接合特征是单体本体的一部分和/或连接至单体本体(例如，从单体本体的主要部分突出的耳片(“tab”))。模块可以包括多个并联的单体。模块可以包括任何数目个单体，例如，至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个单体。在一些情况下，模块包括至少约4、9、12或16个单体。在一些情况下，模块能够储存约700瓦时的能量并且/或者递送至少约175瓦(Watt)的功率。在一些情况下，模块能够储存至少约1080瓦时的能量并且/或者递送至少约500瓦的功率。在一些情况下，模块能够储存至少约1080瓦时的能量并且/或者递送至少约200瓦(例如，约500瓦)的功率。在一些情况下，模块可以包括单一单体。
本文所使用的术语“封装包”一般是指通过不同的电连接(例如，垂直地)附接的模块。封装包可以包括任何数目个模块，例如，至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个模块。在一些情况下，一个封装包包括至少约3个模块。在一些情况下，一个封装包能够储存至少约2千瓦时的能量并且/或者递送至少约0.4千瓦(例如，至少约0.5千瓦或1.0千瓦)的功率。在一些情况下，一个封装包能够储存至少约3千瓦时的能量并且/或者递送至少约0.75千瓦(例如，至少约1.5千瓦)的功率。在一些情况下，一个封装包包括至少约6个模块。在一些情况下，一个封装包能够储存约6千瓦时的能量并且/或者递送至少约1.5千瓦(例如，约3千瓦)的功率。
本文所使用的术语“芯体”一般是指通过不同的电连接(例如，通过串联和/或并联)附接的多个模块或封装包。芯体可以包括任何数目个模块或封装包，例如，至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、45、50或更多个封装包。在一些情况下，芯体还包括允许该芯体以受控的方式高效率地储存并返回电能的机械系统、电气系统和热系统。在一些情况下，芯体包括至少约12个封装包。在一些情况下，芯体能够储存至少约25千瓦时的能量并且/或者递送至少约6.25千瓦的功率。在一些情况下，芯体包括至少约36个封装包。在一些情况下，芯体能够储存至少约200千瓦时的能量并且/或者递送至少约40、50、60、70、80、90或100千瓦或者更多的功率。
本文所使用的术语“芯体包裹体”或“CE”一般是指通过不同的电连接(例如，通过串联和/或并联)附接的多个芯体。CE可以包括任何数目个芯体，例如，至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个芯体。在一些情况下，CE包含与适当的旁通电子电路并联连接的芯体，从而使得一个芯体能够被断开，同时继续允许其他芯体储存和返回能量。在一些情况下，CE包括至少4个芯体。在一些情况下，CE能够储存至少约100千瓦时的能量并且/或者递送约25千瓦的功率。在一些情况下，CE包括4个芯体。在一些情况下，CE能够储存约100千瓦时的能量并且/或者递送约25千瓦的功率。在一些情况下，CE能够储存约400千瓦时的能量并且/或者递送至少约80千瓦的功率，例如至少或约80、100、120、140、160、180或200千瓦或者更多的功率。
本文所使用的术语“系统”一般是指通过不同的电连接(例如，通过串联和/或并联)附接的多个芯体或CE。系统可以包括任何数目个芯体或CE，例如，至少约2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个芯体。在一些情况下，系统包括20个CE。在一些情况下，系统能够储存约2兆瓦时
(mega-Watt-hour)的能量并且/或者递送至少约400千瓦(例如，约500千瓦或约1000千瓦)的功率。在一些情况下，系统包括5个CE。在一些情况下，系统能够储存约2兆瓦时的能量并且/或者递送至少约400千瓦的功率，例如至少约400、500、600、700、800、900、1000千瓦或者更多的功率。
具有给定的能量容量和功率容量的单体(例如，芯体、CE、系统等)组(例如，能够储存给定量的能量的CE或系统)可以被配置用于递送至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约95％或约100％的给定(例如，额定)功率水平。例如，虽然1000kW系统可能也能够以500kW操作，但是500kW系统可能不能够以1000kW操作。在一些情况下，具有给定的能量容量和功率容量的系统(例如，能够储存给定量的能量的CE或系统)可以被配置用于递送少于约100％、少于约110％、少于约125％、少于约150％、少于约175％或少于约200％的给定(例如，额定)功率水平，等等。例如，系统可以被配置用于在一段时间内提供多于其额定功率容量，该段时间小于在正提供的功率水平下消耗其能量容量可能花费的时间(例如，在一段时间内提供大于系统的额定功率的功率，该功率对应于小于约1％、小于约10％或小于约50％的其额定能量容量)。
本文所使用的术语“电池”一般是指串联和/或并联连接的一个或多个电化学单体。电池可以包括任何数目个电化学单体、模块、封装包、芯体、CE或系统。电池可以经历至少一次充电/放电或放电/充电循环(“循环”)。
本文所使用的术语“金属至金属直接接合”或“金属至金属直接接合点”一般是指使两个金属表面接触(例如，通过形成钎焊接头或焊接点)的电连接。在一些示例中，金属至金属直接接合点不包括导线。
本文所使用的术语“互连体(interconnect)”一般是指除金属至金属直接接合点之外的任何电连接。互连体可以包括导线或者被设计用于传递电流的弯曲的金属片组件。互连体可以是顺从性的(例如，柔性的)。
本文所使用的术语“导线”一般是指任何电绳、带或细长的电缆管。导线可以是柔性的。如本文所使用的，编织的金属带是导线。在一些情况下，母线是导线。
本文所使用的术语“电子地”一般是指电子可易于在具有较小电阻的两个或更多个组件之间流动的情形。彼此电子连通的组件可以是彼此电连通的。
本文所使用的术语“垂直的”一般是指平行于重力的方向。
本文所使用的术语“充电截止电压”或“CCV”一般是指单体完全地或基本上完全充电的电压，诸如当在恒定电流模式下循环时电池中所使用的电压截止极限。
本文所使用的术语“开路电压”或“OCV”一般是指当单体(例如，完全地或部分地充电)从任何电路或外部负荷断开时(即，当没有电流流过该单体时)该单体的电压。
本文所使用的术语“电压”或“单体电压”一般是指单体的电压(例如，在充电状况或充/放电状况中的任何状态下)。在一些情况下，电压或单体电压可以是开路电压。在一些情况下，电压或单体电压可以是充电过程中或放电过程中的电压。
本公开内容的电压可以相对于参考电压而采用或表示的，所述参考电压诸如为地面电压(0伏特(V))或电化学单体中相反电极的电压。
本文所使用的、用于描述材料的术语“稳定的”一般是指热力学稳定的、化学稳定的、热化学稳定的、电化学稳定的或其任何组合的材料。稳定的材料可以不被化学地或电化学地还原、侵蚀或腐蚀。本公开内容中关于稳定的、热力学稳定的或化学稳定的材料所描述的任何方面至少在一些配置下可以同样适用于热力学稳定的、化学稳定的、热化学稳定的和/或电化学稳定的材料。
用于高温装置的密封件
本公开内容的一个方面提供了一种用于高温装置的密封件。该装置可以是包含/包括一种或多种反应性材料的高温反应性材料装置。例如，该高温装置可以包含反应性材料。在一些情况下，该装置可以是高温反应性金属装置。该装置可以但不限于用于举例而言诸如反应性金属(例如，锂或钠)和/或具有强化学还原能力的化学制品(例如，反应性化学制品)等反应性材料的生产和/或处理、用于半导体制造、用于核反应堆(例如，核聚变反应堆、使用举例而言诸如熔融的钠或锂或者熔融的含钠或含锂的合金等熔融的盐或金属作为冷却剂的核反应堆)、用于非均匀反应堆、用于化学加工装置、用于化学运输装置、用于化学储存装置或用于电池(例如，液态金属电池)。例如，一些电池在高温(例如，至少约100℃或300℃)下操作并且具有可能需要充分地包含在该电池内的反应性金属蒸气(例如，锂、钠、钾、镁或钙等的蒸气)。在一些示例中，这样的高温装置在下列温度下操作、被加热到和/或保持在：至少约100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃或更高的温度。在这样的温度下，该装置的一个或多个组件可能处于液态(或熔融)或蒸气状态。
密封件可以包括与装置中所包含的反应性材料(例如，反应性金属或熔盐)相接触的陶瓷材料(例如，氮化铝(AlN))。陶瓷材料可以能够对反应性材料(例如，装置中所包含的反应性材料，举例而言诸如反应性金属或熔盐)有化学抗性。当装置在高温(例如，至少约100℃、至少约150℃、至少约200℃、至少约250℃、至少约300℃、至少约350℃、至少约400℃、至少约500℃、至少约600℃、至少约700℃、至少约800℃或至少约900℃)下操作时陶瓷材料可以能够对反应性材料有化学抗性。
密封件可以包括金属套环或套管(例如，由不锈钢(SS)或锆制成)。套管和/或套环设计可以是适应热膨胀系数(CTE)的(例如，可以适应CTE的差异(本文也指“CTE不匹配”))。在一些情况下，套管可以是套环。在一些情况下，套环可以是圆锥形的。例如，套环可以是圆锥形的金属(例如，锆)套环。本公开内容中关于套环所描述的任何方面至少在一些配置下可以同样适用于套管，且反之亦然。
密封件可以包括安置在陶瓷材料与金属套环/套管和装置中的至少一个之间的活性金属钎焊接头(“braze”)。该活性金属钎焊接头可以包括化学地还原陶瓷材料(例如，钛(Ti)或锆(Zr))的金属种类。
在一些情况下，密封件可以环绕导电的馈通体(并且可以使该馈通体与装置的外壳电隔离)、热电偶或电压传感器。例如，陶瓷材料可以是绝缘体。
在一些示例中，在至少约100℃、至少约150℃、至少约200℃、至少约250℃、至少约300℃、至少约350℃、至少约400℃、至少约500℃、至少约600℃、至少约700℃、至少约800℃或至少约900℃的温度下，密封件可以能够对装置中的反应性材料有化学抗性。在一些示例中，在至少约6个月、1年、2年、5年、10年或更久的时间内，密封件可以能够在这样的温度下对反应性材料有化学抗性。在一些示例中，装置可以是高温反应性金属装置，并且密封件可以能够对包含反应性金属的装置中的材料有化学抗性。在一个示例中，在至少约一年内，密封件能够在至少约350℃的温度下耐锂蒸气。密封件可以使装置中的反应性材料(例如，反应性材料的蒸气)保留。例如，密封件可以使装置中的反应性金属蒸气和/或熔盐蒸气保留。
电化学单体、装置和系统
本公开内容提供了电化学储能装置(例如，电池)和系统。电化学储能装置通常包括密封(例如，气密密封)在外壳内的至少一个电化学单体，本文中亦称“单体”和“电池单体”。单体可以被配置用于向举例而言诸如电子装置、另一储能装置或电网等负荷递送电能(例如，在电势下的电子)。
本公开内容的电化学单体可以包括负电极、相邻于该负电极的电解质以及相邻于该电解质的正电极。负电极与正电极可由电解质分隔开。负电极在放电期间可以是阳极。正电极在放电期间可以是阴极。
在一些示例中，电化学单体是液态金属电池单体。在一些示例中，液态金属电池单体可以包括布置在液态(例如，熔融的)金属负电极与液态(例如，熔融的)金属、准金属和/或非金属正电极之间的液态电解质。在一些情况下，液态金属电池单体具有熔融的碱土金属(例如，镁、钙)或碱金属(例如，锂、钠、钾)负电极、电解质和熔融的金属正电极。熔融的金属正电极例如可以包括锡、铅、铋、锑、碲和硒中的一个或多个。例如，正电极可以包括Pb或Pb-Sb合金。正电极还可以包括单独地或与其他金属、准金属或非金属结合地包括一种或多种过渡金属或d区元素(例如，Zn、Cd、Hg)，举例而言诸如Zn-Sn合金或Cd-Sn合金。在一些示例中，正电极可以包括仅具有一种稳定的氧化态的金属或准金属(例如，具有单个或单一氧化态的金属)。本文对金属或熔融金属正电极的任何描述，或者对正电极的任何描述均可指包含金属、准金属和非金属中的一种或多种的电极。正电极可以包含所列材料示例中的一种或多种。在一个示例中，熔融金属正电极可包含铅和锑。在一些示例中，熔融金属正电极可包含正电极中所合金化的碱金属或碱土金属。
在一些示例中，电化学储能装置包括液态金属负电极、液态金属正电极以及将液态金属负电极与液态金属正电极分隔开的液态盐电解质。负电极可以包括碱金属或碱土金属，诸如锂、钠、钾、铷、铯、镁、钡、钙、钠或其组合。正电极可以包括从元素周期表的过渡金属或d区元素(例如，12族元素)、IIIA、IVA、VA和VIA族选取的元素，诸如锌、镉、汞、铝、镓、铟、硅、锗、锡、铅、磷属元素(例如，砷、铋和锑)、硫属元素(例如，硫、碲和硒)或其组合。在一些示例中，正电极包括元素周期表的12族元素，诸如锌(Zn)、镉(Cd)和汞(Hg)中的一个或多个。在一些情况下，正电极可以形成低共熔混合物或过低共熔混合物(例如，在一些情况下能够实现单体的较低的操作温度)。在一些示例中，正电极包含第一正电极物质(“species”)和第二正电极物质，其中所述第一正电极物质与所述第二正电极物质的配比(mol-％)约为20:80、40:60、50:50或80:20。在一些示例中，正电极包含Sb和Pb，其中Sb与Pb的配比(mol-％)约为20:80、40:60、50:50或80:20。在一些示例中，正电极包含与第二正电极物质混合的、在约20mol％与80mol-％之间的第一正电极物质。在一些情况下，正电极包含约20mol-％与80mol-％之间的Sb(例如，与Pb混合)。在一些情况下，正电极包含约20mol-％与80mol-％之间的Pb(例如，与Sb混合)。在一些示例中，正电极包含Zn、Cd或Hg中的一个或多个，或者(一种或多种)这样的与其他金属、准金属或非金属相组合的材料，举例而言诸如，Zn-Sn合金、Zn-Sn合金、Cd-Sn合金、Zn-Pb合金、Zn-Sb合金或Bi。在一个示例中，正电极可以包含15:85、50:50、75:25或85:15mol-％的Zn:Sn。
电解质可以包括诸如碱金属盐或碱土金属盐等盐(例如，熔盐)。碱金属盐或碱土金属盐可以是卤化物，诸如活性碱金属或碱土金属的氟化物、氯化物、溴化物或碘化物，或者它们的组合。在一个示例中，电解质(例如，在类型1或类型2的化学过程中)包括氯化锂。在一些示例中，电解质可以包括氟化钠(NaF)、氯化钠(NaCl)、溴化钠(NaBr)、碘化钠(NaI)、氟化锂(LiF)、氯化锂(LiCl)、溴化锂(LiBr)、碘化锂(LiI)、氟化钾(KF)、氯化钾(KCl)、溴化钾(KBr)、碘化钾(KI)、氟化钙(CaF2)、氯化钙(CaCl2)、溴化钙(CaBr2)、碘化钙(CaI2)，或者它们的任何组合。在另一示例中，电解质包括氯化镁(MgCl2)。作为备选，活性碱金属的盐例如可以是非氯卤化物、双亚胺盐、氟磺酰基-胺盐、高氯酸盐、六氟磷酸盐、四氟硼酸盐、碳酸盐、氢氧化物、硝酸盐、亚硝酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐，或者它们的组合。在一些情况下，电解质可以包括盐的混合物(例如，25:55:20mol-％的LiF:LiCl:LiBr、50:37:14mol-％的LiCl:LiF:LiBr等)。电解质可以表现出低(例如，最小的)电子电导(例如，经由的化合价反应通过电解质可能发生电子短路，其增加了电子电导)。例如，电解质可以具有小于或等于约0.03％或0.3％的电子迁移数(即，归因于电子的迁移的电荷(电子和离子)的百分比)。
在一些情况下，电化学储能装置的负电极和正电极在该储能装置的操作温度下处于液态。为了将电极维持在液态，可以将电池单体加热到任何合适的温度。在一些示例中，将电池单体加热到和/或维持在约100℃、约150℃、约200℃、约250℃、约300℃、约350℃、约400℃、约450℃、约500℃、约550℃、600℃、约650℃或约700℃的温度。可以将该电池单体加热到和/或维持在至少约100℃、至少约150℃、至少约200℃、至少约250℃、至少约300℃、至少约350℃、至少约400℃、至少约450℃、至少约500℃、至少约550℃、至少约600℃、至少约650℃、至少约700℃、至少约800℃或者至少约900℃的温度。在这样的情况下，负电极、电解质和正电极可以处于液态(或熔融状态)。在一些情况下，将电池单体加热至约200℃与约600℃之间、约500℃与约550℃之间或者约450℃与约575℃之间。
在一些实现方式中，电化学单体或储能装置可以至少部分地或完全地自加热。例如，电池可以充分地绝缘、充电、放电和/或处于足够的速率的条件下，以及/或者以足够的时间百分比进行循环以允许系统通过循环操作的低效率而生成足够的热，所述循环操作是在不需要向系统供应附加能量来维持给定操作温度的情况下将单体维持在该操作温度下(例如，液体组分中的至少一个的凝固点之上的单体操作温度)。
本公开内容中的电化学单体可以适于在充电(或储能)模式与放电模式之间循环。在一些示例中，电化学单体可以是完全充电的、部分充电的或者部分放电的或完全放电的。
在一些实现方式中，在电化学储能装置的充电模式期间，从外部功率源(例如，发电机或电网)接收的电流可以致使金属正电极中的金属原子放出一个或多个电子，从而溶解到电解质中成为带正电的离子(即，阳离子)。同时，同种阳离子可以迁移穿过电解质，并且可以在负电极接受电子，致使阳离子转变成中性的金属种类，从而增加该负电极的质量。活性金属种类从正电极的移除和活性金属向负电极的添加储存了电化学能。在一些情况下，金属从正电极的移除和其阳离子向电解质的添加可以储存电化学能。在一些情况下，电化学能量可以通过活性金属种类从正电极的移除和其向负电极的添加，以及一种或多种金属(例如，不同的金属)从正电极的移除和其向电解质的添加(例如，成为阳离子)的组合来储存。在能量释放模式期间，电负荷耦合至电极，并且先前在负电极中添加的金属种类可以从金属负电极释放，作为离子而穿过电解质，并作为中性种类沉积在正电极中(并且在一些情况下与正电极材料发生合金化)，伴随着通过电子经过外部电路/负荷的外部和匹配的流动而实现的离子流动。在一些情况下，正电极材料先前释放到电解质中的一个或多个阳离子可以作为中性种类沉积在正电极中(并且在一些情况下与正电极材料发生合金化反应)，伴随着通过电子经过外部电路/负荷的外部和匹配的流动而实现的离子流动。这一电化学促进的金属合金化反应将先前储存的电化学能释放至电负荷。
在充电状态中，负电极可以包括负电极材料而正电极可以包括正电极材料。在放电期间(例如，当电池耦合至负荷时)，负电极材料产生一个或多个电子以及负电极材料的阳离子。在一些实现方式中，阳离子穿过电解质迁移至正电极材料并与正电极材料反应(例如，以形成合金)。在一些实现方式中，正金属种类的离子(例如，正电极材料的阳离子)在正电极处接受电子并且沉积成为正电极上的金属。在充电期间，在一些实现方式中，正电极上的合金分解以产生负电极材料的阳离子，所述阳离子穿过电解质迁移至负电极。在一些实现方式中，正电极上的一种或多种金属种类分解以在电解质中产生负电极材料的阳离子。在一些示例中，离子可以穿过电解质从阳极迁移到阴极，或者反之亦然。在一些情况下，离子可以以压弹(push-pop)的方式穿过电解质迁移，在压弹中一种类型的进入的离子可以从电解质出射同一类型的离子。例如，在放电期间，在阳极处形成的碱金属阳离子与电解质相互作用以将碱金属阳离子从电解质射入阴极，通过这样的过程，碱金属阳极和氯化碱金属电解质可以向阴极贡献碱金属阳离子。在这样的情况下，在阳极处形成的碱金属阳离子可以不必穿过电解质迁移至阴极。阳离子可以在阳极与电解质的交界面处形成，并在阴极与电解质的交界面处被接受。
本公开内容提供了类型1和类型2的单体，它们可以基于活性组件(例如，负电极、电解质和正电极)的组成而变化并且由其所限定，以及可以基于单体的操作模式(例如，低电压模式与高电压模式)而变化。单体可以包括被配置用于在类型2操作模式中使用的材料。单体可以包括被配置用于在类型1操作模式中使用的材料。在一些情况下，单体可以在高电压(类型2)操作模式和低电压(类型1)操作模式这两者中操作。例如，具有一般被配置用于在类型1模式下使用的正电极材料和负电极材料的单体可以在类型2操作模式下操作。单体可以在类型1操作模式和类型2操作模式之间循环。单体可以在类型1模式下初始充电(或放电)至给定的电压(例如，0.5V至1V)，而随后在类型2模式下充电(继而放电)至更高的电压(例如，1.5V至2.5V或1.5V至3V)。在一些情况下，在类型2模式下操作的单体可以在电极之间的、可能超过在类型1模式下操作的单体的电压的电压下操作。在一些情况下，类型2单体化学过程可以在电极之间的、可能超过在类型1模式下操作的类型1单体化学过程的电压的电压下操作。类型2单体可以在类型2模式中操作。
在类型1单体的一个示例中，在放电时在负电极处形成的阳离子可以迁移到电解质中。同时，电解质可以向正电极提供同种阳离子(例如，负电极材料的阳离子)，其可以将阳离子还原为不带电荷的金属种类，并且与正电极发生合金化反应。在放电状态下，负电极材料(例如，Li、Na、K、Mg、Ca)的负电极可以被(例如，部分地或完全地)耗尽。在充电过程中，正电极上的合金可以分解以产生负电极材料的迁移到电解质中的阳离子(例如，Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+)。电解质继而可以向负电极提供阳离子(例如，负电极材料的阳离子)，在负电极处阳离子接受一个或多个来自外部电路的电子并且转化回中性金属种类，这使负电极再充满以提供处于充电状态的单体。类型1单体可以以压弹的方式操作，在压弹的方式中阳离子进入电解质导致从电解质释放相同的阳离子。
在类型2单体的一个示例中，在放电状态下电解质包含负电极材料的阳离子(例如，Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+)，并且正电极包含正电极材料(例如，Sb、Pb、Sn、Zn、Hg)。在放电过程中，来自电解质的负电极材料的阳离子接受一个或多个电子(例如，来自负集流体)以形成包含负电极材料的负电极。在一些示例中，负电极材料是液体且湿润进入负集流体的泡沫(或多孔)结构。在一些示例中，负集流体可以不包括泡沫(或多孔)结构。在一些示例中，负集流体可以包括金属，举例而言诸如钨(例如，以避免Zn的腐蚀)，碳化钨或钼的负集流体不包含Fe-Ni泡沫。同时，来自正电极的正电极材料放出电子(例如，向正集流体)并且溶解到电解质中作为正电极材料的阳离子(例如，Sb3+、Pb2+、Sn2+、Zn2+、Hg2+)。正电极材料的阳离子的浓度可以基于电解质中阳离子材料的原子量和扩散动力学而随在电解质内的垂直接近度而变化(例如，作为正电极材料之上的距离的函数)。在一些示例中，正电极材料的阳离子在正电极附近的电解质中富集。
在一些实现方式中，在组装可在类型2模式中操作的单体的时候可能不需要提供负电极材料。例如，Li||Pb单体或包括(一个或多个)这样的单体的储能装置可以在放电状态下组装，该单体或储能装置仅具有Li盐电解质和Pb或Pb合金(例如，Pb-Sb)正电极(即，在组装过程中可能不需要Li金属)。
虽然已经描述了本公开内容的电化学单体，但是在一些示例中，当在类型1模式或类型2模式中操作时，有可能有其他操作模式。类型1模式或类型2模式作为示例而提供并且不旨在限制本文所公开的电化学单体的各种操作模式。
在一些情况下，电化学单体是利用液态金属负电极(例如，Na、Li)和固体离子传导(例如β”-氧化铝陶瓷)电解质的高温电池。在一些情况下，固体离子传导电解质在约100℃之上、在约150℃之上、在约200℃之上、在约250℃之上、在约300℃之上或在约350℃之上操作。电解质可以包括熔融的硫属化物(例如，S、Se、Te)以及/或者包括过渡金属卤化物(例如，NiCl3、FeCl3)在内的熔盐。电解质可以包括其他支持电解质化合物(例如，NaCl、NaF、NaBr、NaI)。
电池和外壳
本公开内容的电化学单体可以包括可适于各种用途和操作的外壳。外壳可以包括一个单体或多个单体。外壳可被配置用于将电极电耦合至开关，该开关可以连接至外部功率源和电负荷。单体外壳例如可以包括电耦合至开关的第一极和/或另一单体外壳的导电容器，以及电耦合至开关的第二极和/或另一单体外壳的导电容器盖。所述单体可以布置于所述容器的空腔内。所述单体的电极中的第一个(例如，正电极)可以接触所述容器的端壁并与其电耦合。所述单体的电极的第二个(例如，负电极)可以接触容器盖(本文统称为“单体盖组装件”、“盖组装件”或“帽组装件”)上的导电馈通体或导体(例如，负电流引线)并与其电耦合。电绝缘密封件(例如，结合的陶瓷环)可以使单体的负电势部分与容器的正电部分电隔离(例如，使负电流引线与正电流引线电绝缘)。在一个示例中，负电流引线与容器盖(例如，单体帽)可以彼此电隔离，其中可以在负电流引线与单体帽之间放置介电密封剂材料。作为备选，外壳包括电绝缘鞘套(例如，氧化铝鞘套)或耐腐蚀且导电的鞘套或坩埚(例如，石墨鞘套或坩埚)。在一些情况下，外壳和/或容器可以是电池外壳和/或容器。
单体可以具有本文所公开的任何单体和密封件配置。例如，活性单体材料可被保持在单体盖上具有高温密封件的密封钢/不锈钢的容器内。负电流引线可以穿过单体盖(且通过介电高温密封件密封至单体盖)，并且与悬浮于电解质中的多孔负集流体(例如，金属泡沫)连接。在一些情况下，单体可以使用在单体坩埚的内壁上的石墨鞘套、涂层、坩埚、表面包覆层或衬里(或它们的任何组合)。在其他情况下，单体可以不使用在单体坩埚的内壁上的石墨鞘套、涂层、坩埚、表面包覆层或衬里。
在单体操作过程中，来自单体壁的材料(例如，Fe)可以在更高的电压电势(例如，类型2模式)下发生反应，并且在电解质中电离为可溶性种类。因此，壁材料可以溶解到电解质中，并随后干扰单体的电化学过程。例如，溶解的材料可以沉积在负电极上，在一些情况下其可以如同树突一样生长并且横跨电解质伸展到单体的一个或多个壁，或朝着正电极伸展，这可导致短路故障。本公开内容提供了用于抑制或以其他方式帮助使固体(惰性)单体材料(诸如Fe)的溶解及其例如由树突的形成和单体短路而造成的对单体性能的潜在负面影响最小化的各种方案。在一些情况下，单体可被设计成使得在负电极与单体壁之间间隔增大，这样抑制或以其他方式帮助最小化树突形成和使该壁至内壁短路的能力。单体可以包括在该单体的一个或多个壁与负电极、电解质和/或正电极之间的电绝缘且化学稳定的鞘套或涂层以最小化或防止至该单体的一个或多个壁的短路。在一些情况下，单体可以由非铁容器或容器衬里形成，诸如含碳材料(例如，石墨)、或碳化物(例如，SiC、TiC)或氮化物(例如，TiN、BN)或化学稳定的金属(例如，Ti、Ni、B)。容器或容器衬里材料可以是导电的。这样的非限制性方案可以单独地或组合地使用，以用于抑制或以其他方式帮助最小化与Fe或其他单体壁材料的化学相互作用以及任何随后对单体性能的负面影响。
本文中所使用的电池可以包括多个电化学单体。(一个或多个)单体可以包括外壳。单个单体可以彼此串联和/或并联地电耦合。在串联连接中，第一单体的正端子连接至第二单体的负端子。在并联连接中，第一单体的正端子可以连接至第二单体和/或(一个或多个)附加的单体的正端子。类似地，单体模块、封装包、芯体、CE和系统可以以如针对单体所描述的相同的方式串联和/或并联地连接。
现将参考附图，其中自始至终相似的附图标记指代相似的部件。应当理解其中的附图和特征未必按比例绘制。
参考图1，电化学单体(A)是包括阳极和阴极的单元。所述单体可以包括电解质并被密封在本文所描述的外壳中。在一些情况下，电化学单体可以堆叠(B)以形成电池(即，一个或多个电化学单体的编组)。可以将单体并联地、串联地或者既并联又串联(C)地进行布置。
此外，如本文在别处更详细地描述那样，可以将单体布置成组(例如，模块、封装包、芯体、CE、系统或包括一个或多个电化学单体的任何其他的组)。在一些情况下，这样的电化学单体的组可以允许对给定数目个单体以组级别一起进行控制或调控(例如，配合或取代对单个单体的调控/控制)。
本公开内容中的电化学单体(例如，在类型2模式中操作的类型1单体、在类型1模式中操作的类型1单体、或者类型2单体)可以能够储存和/或接收(“吸收”)适当大量的能量(例如，相当大量的能量)的输入。在一些情况下，单体能够储存和/或吸收和/或释放约1瓦时(Wh)、约5Wh、25Wh、约50Wh、约100Wh、约250Wh、约500Wh、约1千瓦时(kWh)、约1.5kWh、约2kWh、约3kWh、约5kWh、约10kWh、约15kWh、约20kWh、约30kWh、约40kWh或约50kWh。在一些情况下，所述电池能够储存和/或吸收和/或释放至少约1Wh、至少约5Wh、至少约25Wh、至少约50Wh、至少约100Wh、至少约250Wh、至少约500Wh、至少约1kWh、至少约1.5kWh、至少约2kWh、至少约3kWh、至少约5kWh、至少约10kWh、至少约15kWh、至少约20kWh、至少约30kWh、至少约40kWh或至少约50kWh。应当认识到，储存于电化学单体和/或电池中的能量的量可能少于吸收到该电化学单体和/或电池中的能量的量(例如，由于低效率和损耗)。单体在以本文的任何电流密度进行操作时可以具有这样的储能容量。
单体可以能够以至少约10毫安每平方厘米(mA/cm2)、20mA/cm2、30mA/cm2、40mA/cm2、50mA/cm2、60mA/cm2、70mA/cm2、80mA/cm2、90mA/cm2、100mA/cm2、200mA/cm2、300mA/cm2、400mA/cm2、500mA/cm2、600mA/cm2、700mA/cm2、800mA/cm2、900mA/cm2、1A/cm2、2A/cm2、3A/cm2、4A/cm2、5A/cm2或10A/cm2的电流密度提供电流，其中电流密度基于电解质的有效截面面积来确定并且其中所述截面面积是正交于在充电或放电过程期间离子穿过电解质的净流动方向的面积。在一些情况下，单体可以能够以至少约10％、20％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、90％、95％等的直流(DC)效率操作。在一些情况下，单体可以能够以至少约10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、85％、90％、95％、98％、99％、99.5％、99.9％、99.95％、99.99％等的充电效率(例如，库伦充电效率(Coulombic charge efficiency))操作。
在充电状态下，本公开内容的电化学单体(例如，在类型2模式中操作的类型1单体、在类型1模式中操作的类型1单体、或者类型2单体)可以具有(或可以操作在)至少约0.5V、0.6V、0.7V、0.8V、0.9V、1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V、1.5V、1.6V、1.7V、1.8V、1.9V、2.0V、2.1V、2.2V、2.3V、2.4V、2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V或3.0V的电压。在一些情况下，单体可以具有至少约0.5V、0.6V、0.7V、0.8V、0.9V、1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V、1.5V、1.6V、1.7V、1.8V、1.9V、2.0V、2.1V、2.2V、2.3V、2.4V、2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V或3.0V的开路电压(OCV)。在一个示例中，单体具有大于约0.5V、大于约1V、大于约2V或大于约3V的开路电压。在一些情况下，充电状态下单体的充电截止电压(CCV)为从约0.5V至1.5V、1V至3V、1.5V至2.5V、1.5V至3V或2V至3V。在一些情况下，单体的充电截止电压(CCV)为至少约0.5V、0.6V、0.7V、0.8V、0.9V、1.0V、1.1V、1.2V、1.3V、1.4V、1.5V、1.6V、1.7V、1.8V、1.9V、2.0V、2.1V、2.2V、2.3V、2.4V、2.5V、2.6V、2.7V、2.8V、2.9V或3.0V。在一些情况下，充电状态下单体的电压(例如，操作电压)在约0.5V与1.5V、1V与2V、1V与2.5V、1.5V与2.0V、1V与3V、1.5V与2.5V、1.5V与3V或者2V与3V之间。单体在以多达和超过约10个循环、20个循环、30个循环、40个循环、50个循环、100个循环、200个循环、300个循环、400个循环、500个循环、600个循环、700个循环、800个循环、900个循环、1,000个循环、2,000个循环、3,000个循环、4,000个循环、5,000个循环、10,000个循环、20,000个循环、50,000个循环、100,000个循环或1,000,000个或更多个循环(本文也称“充电/放电循环”)操作时可以提供这样的(一个或多个)电压(例如，电压、OCV和/或CCV)。
在一些情况下，与负电极、电解质和/或正电极的化学过程不同，循环数的限制因素例如可取决于外壳和/或密封件。循环中的限制可以不由电化学过程决定，而是由单体的非活性组件(诸如容器或密封件)的降解所决定。可以在不显著降低容量的情况下操作单体。在一些情况下，单体的操作使用寿命可受单体的容器、密封件和/或帽的寿命限制。在单体在操作温度下操作期间，单体可以具有处于液态(或熔融状态)的负电极、电解质和正电极。
本公开内容的电化学单体可以具有任何合适数值的响应时间(例如，适合于响应电网中的扰动)。在一些情况下，所述响应时间为约100毫秒(ms)、约50ms、约10ms、约1ms等。在一些情况下，所述响应时间为至多约100毫秒(ms)、至多约50ms、至多约10ms、至多约1ms等。
单体的编组或阵列(例如，电池)可以包括任何合适数目的单体，诸如至少约2个、至少约5个、至少约10个、至少约50个、至少约100个、至少约500个、至少约1000个、至少约5000个、至少约10000个等。在一些示例中，电池包括1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、15个、20个、30个、40个、50个、60个、70个、80个、90个、100个、200个、300个、400个、500个、600个、700个、800个、900个、1000个、2000个、5000个、10,000个、20,000个、50,000个、100,000个、500,000个或1,000,000个单体。
在一些实现方式中，在本公开内容的储能系统中可以包括一种或多种类型的单体。例如，储能装置可以包括类型2单体或类型1单体与类型2单体的组合(例如，50％的类型1单体和50％的类型2单体)。这样的单体可以在类型2模式下操作。在一些情况下，单体的第一部分可以在类型1模式中操作，而单体的第二部分可以在类型2模式中操作。
本公开内容的电池可以能够储存和/或吸收适当大量的能量(例如，相当大量的能量)以用于电网(即，电网规模电池)或者其他负荷或用途。在一些情况下，电池能够储存和/或吸收和/或释放约5千瓦时(kWh)、约25kWh、约50kWh、约100kWh、约500kWh、约1兆瓦时(MWh)、约1.5MWh、约2MWh、约3MWh、约5MWh、约10MWh、约25MWh、约50MWh或约100MWh。在一些情况下，所述电池能够储存和/或吸收至少约1kWh、至少约5kWh、至少约25kWh、至少约50kWh、至少约100kWh、至少约500kWh、至少约1MWh、至少约1.5MWh、至少约2MWh、至少约3MWh、至少约4MWh、至少约5MWh、至少约10MWh、至少约25MWh、至少约50MWh或至少约100MWh。
在一些情况下，单体和单体外壳是可堆叠的。可以堆叠任何数目的单体。单体可以并排堆叠、堆叠于彼此之上，或者同时以这两种方式堆叠。在一些情况下，堆叠至少约3个、6个、10个、50个、100个或500个单体。在一些情况下，100个单体的堆能够储存和/或吸收至少50kWh的能量。第一堆单体(例如，10个单体)可以电连接至第二堆单体(例如，另外10个单体)，以增加电连通的单体的数目(例如，在这种情况下为20个)。在一些情况下，所述储能装置包括一叠1个到10个、一叠11个到50个、一叠51个到100个或更多个电化学单体。
电化学储能装置可以包括一个或多个的单个电化学单体。电化学单体可被容纳于容器内，该容器可以包括容器盖(例如，单体帽)和密封组件。所述装置可以包括至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、20、30、40、50、100、200、300、400、500、1000、10,000、100,000或1,000,000个单体。容器盖例如可以利用密封件(例如，环状介电垫圈)将容器与容器盖电隔离。这样的组件可以由电绝缘材料构造而成，举例而言，所述组件诸如为玻璃、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、硫属化物或其组合(例如，陶瓷、二氧化硅、氧化铝、包括氮化硼、氮化铝、氮化锆、氮化钛在内的氮化物、包括碳化硅、碳化钛在内的碳化物或者包括氧化锂、氧化钙、氧化钡、氧化钇、氧化硅、氧化铝在内的其它氧化物，或者氮化锂、氧化镧，或者它们的任何组合)。可以通过一种或多种方法将密封件做成密闭的。例如，密封件可以经受容器盖与容器之间的相对较高的压缩力(例如，大于约1,000psi或大于约10,000psi)以便除了电隔离之外提供密封。或者，密封件可以通过焊接点、钎焊接头或其他将相关单体组件接合至绝缘密封剂材料的化学粘结材料而结合。
图2示意性地图示了包括导电外壳201以及与集流体203电连通的导体202的电池。图2的电池可以是储能装置的单体。导体可以与外壳电隔离并且可以经外壳中的孔径穿过外壳突出，以使得当第一单体与第二单体堆叠起来时，第一单体的导体与第二单体的外壳电连通。
在一些情况下，单体包括负集流体、负电极、电解质、正电极和正集流体。负电极可以是负集流体的一部分。作为备选，负电极与负集流体分隔开，但是以其他方式与该负集流体保持电连通。正电极可以是正集流体的一部分。作为备选，正电极可以与正集流体分隔开，但是以其他方式与该正集流体保持电连通。
单体外壳可以包括导电容器和与集流体电连通的导体。导体可以经容器中的孔径穿过外壳突出，并且可以与该容器电隔离。当第一外壳和第二外壳堆叠起来时，第一外壳的导体可以接触第二外壳的容器。
在一些情况下，所述导体从外壳和/或容器突出所经过的孔径的面积相对于外壳和/或容器的面积较小。在一些情况下，孔径的面积与外壳的面积之比为约0.001、约0.005、约0.01、约0.05、约0.1、约0.15、约0.2、约0.3、约0.4或约0.5。在一些情况下，孔径的面积与外壳的面积之比小于或等于约0.001、小于或等于约0.005、小于或等于约0.01、小于或等于约0.05、小于或等于约0.1、小于或等于约0.15、小于或等于约0.2、或小于或等于约0.3、小于或等于约0.4或者小于或等于约0.5。
单体可以包括导电外壳和与集流体电连通的导体。导体经外壳中的孔径穿过外壳突出并且可以与外壳电隔离。孔径的面积与外壳的面积之比可以小于约0.3、0.2、0.15、0.1、0.05、0.01、0.005或0.001(例如，小于约0.1)。
单体外壳可以包括导电容器和与集流体电连通的导体。导体可以经容器中的孔径穿过外壳突出并且与容器电隔离。孔径的面积与容器的面积之比可以小于约0.3、0.2、0.15、0.1、0.05、0.01、0.005或0.001(例如，小于约0.1)。所述外壳可以能够封闭能够储存和/或吸收少于约100Wh的能量、约100Wh的能量或者多于约100瓦时的能量的单体。所述外壳可以能够封闭能够储存和/或吸收至少约25瓦时的能量的单体。所述单体可以能够储存和/或吸收至少约1Wh、5Wh、25Wh、50Wh、100Wh、500Wh、1kWh、1.5kWh、2kWh、3kWh、5kWh、10kWh、15kWh、20kWh、30kWh、40kWh或50kWh的能量。
图3是电化学单体或电池300的截面侧视图，该电化学单体或电池300包括外壳301、从外壳中的孔径穿过并与液态金属负电极303电连通的导电馈通体(即，诸如导体棒等导体)302、液态金属正电极305以及液态金属电极303与305之间的液态盐电解质304。如本文在别处所公开的，单体或电池300可以被配置用于在低电压模式(“类型1模式”)或高电压模式(“类型2模式”)下操作的单体化学过程。导体302可以与外壳301电隔离(例如，使用电绝缘的密封件)。负集流体307可以包括表现像海绵的泡沫材料303，并且负电极液态金属渗透于泡沫中。液态金属负电极303与熔盐电解质304相接触。该液态盐电解质还与液态金属正电极305相接触。液态金属正电极305可以沿着外壳301的侧壁和/或沿着外壳的底部端壁与该外壳电连通。
外壳可以包括容器和容器盖(例如，单体帽)。可以将容器和容器盖机械地连接(例如，焊接)。在一些情况下，机械连接可以包括化学连接。在一些情况下，容器盖与容器电隔离。在这样的情况下单体盖可以或可以不与负电流引线电隔离。在一些情况下，容器盖电连接至容器(例如，单体本体)。单体盖可以继而与负电流引线电隔离。在操作期间(例如，当处于熔融状态时)，容器盖与容器可以电子连接(例如，通过直接的电连接，举例而言，诸如经由焊接的盖至单体主体接合点，或者离子穿过电解质和电极)。负电流引线例如可以通过使用电绝缘的气密密封件而与容器和/或容器盖(例如，单体帽)电隔离。在一些示例中，可以在负电流引线与容器盖之间提供电绝缘的屏障(例如，密封件)。作为备选，密封件可以采用例如垫圈的形式，并且放置在容器盖与容器之间。在一些示例中，电化学单体或电池300可以包括两个或更多个导体，所述导体穿过一个或多个孔径并且与液态金属负电极303电连通。在一些情况下，可以在液态负电极303与(液态)正电极305之间的电解质304内布置隔膜结构(未示出)。
外壳301可以由导电材料构造而成，举例而言，该导电材料诸如为钢、铁、不锈钢、低碳钢、石墨、镍、镍基合金、钛、铝、钼、钨或诸如氮化物(例如，碳化硅或碳化钛)等导电化合物，或者它们的组合(例如，合金)。
外壳301可以包括外壳内部306。外壳内部306可以包括但不限于，鞘套(例如，石墨鞘套)、涂层、坩埚(例如，石墨坩埚)、表面包覆层、衬里或它们的任何组合。在一个示例中，外壳内部306是鞘套。在另一示例中，外壳内部306是坩埚。在又一示例中，外壳内部306是涂层或表面包覆层。外壳内部306可以是导热的、热绝缘的、导电的、电绝缘的或它们的任何组合。在一些情况下，外壳内部306可被提供用于外壳的保护(例如，用于保护外壳的不锈钢材料免受腐蚀)。在一些情况下，外壳内部可以抵抗液态金属正电极的润湿。在一些情况下，外壳内部可以抵抗液态电解质的润湿。
外壳可以包括单独的金属或化合物的衬里组件(例如，比单体本体更薄的衬里组件)，或者涂层(例如，电绝缘涂层)，举例而言，诸如带有石墨衬里的钢外壳，或者带有氮化物涂层或衬里(例如，氮化硼、氮化铝)的钢外壳，带有钛涂层或衬里的钢外壳，或者带有碳化物涂层或衬里(例如，碳化硅、碳化钛)的钢外壳。该涂层可以表现出良好的性能和功能，包括抵抗正电极液态金属的润湿的表面。在一些情况下，衬里(例如，石墨衬里)可以在放置于单体外壳内部之前或之后通过在空气中加热超过室温来进行干燥或在真空炉中干燥。干燥或加热衬里可以在将电解质、正电极或负电极添加到单体外壳之前从衬里移除水分。
外壳301可以包括热绝缘和/或电绝缘的鞘套或坩埚306。在这一配置中，负电极303在不与正电极305电连接(即，短路)的情况下，可以在外壳301的由鞘套或坩埚所限定的侧壁之间横向延伸。或者，负电极303可以在第一负电极端303a与第二负电极端303b之间横向延伸。当没有提供鞘套或坩埚306时，负电极303可以具有的直径(或其他特性尺寸，在图3中如从303a到303b的距离所示)小于由外壳301所限定的空腔的直径(或者诸如长方体容器的宽度等其他特性尺寸，在图3中如距离D所示)。
坩埚可以制造成借助于位于坩埚与单体外壳之间的导电液态金属或半固态金属合金的薄层而与单体外壳电子接触，诸如元素Pb、Sn、Sb、Bi、Ga、In、Te或它们的组合。
外壳内部(例如，鞘套、坩埚和/或涂层)306可以使用热绝缘的、导热的以及/或者电绝缘的或导电的材料构造而成，举例而言，诸如石墨、碳化物(例如，SiC、TiC)、氮化物(例如，BN)、氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化镁、氮化硼或混合氧化物，举例而言，所述混合氧化物诸如为氧化钙、氧化铝、氧化硅、氧化锂、氧化镁等。例如，如图3中所示，鞘套(或其他)外壳内部306具有环形的截面几何形状，该环形的截面几何形状可以在第一鞘套端306a与第二鞘套端306b之间横向延伸。可以将所述鞘套的尺寸(在图3中如从306a至306b的距离所示)限定成使得鞘套接触并压靠由外壳空腔301所限定的空腔的侧壁。作为备选，外壳内部306可以用于防止容器的腐蚀以及/或者防止阴极材料润湿侧壁，并且可以由电子导电材料构造而成，所述材料诸如钢、不锈钢、钨、钼、镍、镍基合金、石墨、钛或氮化钛。例如，所述鞘套可以很薄并可以是涂层。该涂层可能仅覆盖壁的内侧，并且/或者还可能覆盖容器内侧的底部。在一些情况下，鞘套(例如，石墨鞘套)可以在放置于单体外壳内部之前或之后通过在空气中加热超过室温来进行干燥或在真空炉中干燥。干燥或加热衬里可以在将电解质、正电极或负电极添加到单体外壳之前从衬里移除水分。
单体可以包括导电坩埚或涂层来代替鞘套，该导电坩埚或涂层用作单体外壳的侧壁和底部内表面的衬里，其被称为单体外壳衬里，防止了正电极与单体外壳直接接触。单体外壳衬里可以防止单体外壳与单体外壳衬里或鞘套之间的正电极的润湿，并且可以防止单体外壳的底部表面上的正电极的直接接触。鞘套可以很薄并且可以是涂层。所述涂层可能仅覆盖所述壁的内侧，并且/或者还可能覆盖容器内侧的底部。鞘套可能不与外壳301完美地配合，这可能阻碍单体衬里与单体外壳之间的电流流动。为确保单体外壳与单体衬里之间充足的电子传导，可以使用具有低熔点的金属(例如，Pb、Sn、Bi)的液体在鞘套/涂层与单体外壳之间提供强的电连接。该层可以允许更容易制造和组装单体。
外壳301还可以包括第一(例如，负)集流体或引线307和第二(例如，正)集流体308。负集流体307可以由导电材料构造而成，举例而言，该导电材料诸如为镍-铁(Ni-Fe)泡沫、有孔钢盘、多片波纹钢、多片延展金属网等。负集流体307可以被配置成可以在第一集流体端307a与第二集流体端307b之间横向延伸的板或泡沫。负集流体307可以具有的集流体直径小于或类似于由外壳301所限定的空腔的直径。在一些情况下，负集流体307可以具有的集流体直径(或其他特性尺寸，在图3中如从307a至307b的距离所示)小于或类似于负电极303的直径(或其他特性尺寸，在图3中如从303a至303b的距离所示)。正集流体308可以被配置成外壳301的一部分；例如，外壳的底部端壁可以被配置作为正集流体308，如图3中所示。或者，集流体可以与外壳分立，并且可以与外壳电连接。在一些情况下，正集流体可以不与外壳电连接。本公开内容并不限于负集流体配置和/或正集流体配置的任何特定配置。
负电极303可以被包含在负集流体(例如，泡沫)307内。在这一配置中，电解质层与泡沫307的底部、侧面和/或顶部发生接触。包含在泡沫(即，负电极材料)中的金属可被保持远离外壳301的侧壁，举例而言，诸如通过液态金属负电极的吸收和保留到泡沫中，从而允许单体在没有绝缘鞘套306的情况下运行。在一些情况下，可以使用石墨鞘套或石墨单体外壳衬里(例如，石墨坩埚)来防止正电极以免沿侧壁润湿，这可以防止单体的短路。
电流可以沿着一个表面跨与电解质相接触的液态金属正电极和/或液态金属负电极基本上均匀地分布(即，跨该表面流过的电流可以是均匀的，以使得流过该表面的任何部分的电流基本上都不偏离平均电流密度)。在一些示例中，跨该表面的一个区域流过的电流的最大密度小于约105％、或者小于或等于约115％、小于或等于约125％、小于或等于约150％、小于或等于约175％、小于或等于约200％、小于约或等于250％或者小于或等于约300％的跨该表面流过的电流的平均密度。在一些示例中，跨该表面的一个区域流过的电流的最小密度大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％或者大于或等于约95％的跨该表面流过的电流的平均密度。
从顶部或底部方向观看，如在图3中分别由“俯视图”和“仰视图”所指示的，单体或电池300的截面几何形状可以是环形的、椭圆形的、正方形的、矩形的、多边形的、弯曲的、对称的、非对称的或任何基于针对电池单体的设计需求的其他复合形状。在一个示例中，单体或电池300是轴对称的，具有圆形或正方形截面。单体或电池300的组件(例如，图3中的组件)可以在单体或电池内按轴对称的方式布置。在一些情况下，一个或多个组件可以非对称地布置，举例而言，诸如偏离轴309的中心。
正电极和负电极材料的合成体积可能是电池体积(例如，如该电池最外层外壳所限定，诸如运送容器所限定)的至少约5％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％或95％。在一些情况下，阳极和阴极材料的合成体积为单体的体积的至少约5％、至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约60％、至少约75％。正电极和负电极材料的合成体积在操作期间由于正电极或负电极分别生长或扩张或者缩小或收缩而增加或减少(例如，在高度上)。在一个示例中，在放电期间，负电极(放电期间为阳极)的体积可能由于负电极材料向正电极(放电期间为阴极)的转移而减少，其中该正电极的体积增加(例如，作为合金化反应的结果)。负电极减少的体积可能或可能不等于正电极增加的体积。正电极材料和负电极材料可以彼此反应以形成固体或半固体的相互反应化合物(本文中亦称“相互反应产物”)，所述相互反应化合物可以具有的密度等于、低于或高于所述正电极材料和/或负电极材料的密度。尽管电化学单体或电池300中材料的质量可以是恒定的，可能存在一种或两种或更多种相(例如，液体或固体)，并且每种这样的相可以包括某一材料组合物(例如，碱金属可能以不同浓度存在于单体的材料和相中：液态金属负电极可能包含高浓度的碱金属，液态金属正电极可能包含该碱金属的合金并且该碱金属的浓度在操作期间可能改变，以及液态金属正电极和液态金属负电极的相互反应产物可能包含化学计量固定或可变的该碱金属)。所述相和/或材料可以具有不同密度。当材料在电极的相和/或材料之间转移时，可能导致合成的电极体积发生改变。
在一些情况下，单体可以包括一个或多个合金产物，所述合金产物是液态的、半液态的(或半固态的)或固态的。所述合金产物与负电极、正电极和/或电解质可以是不混溶的(或者，在一些情况下，可溶解的)。所述合金产物可以形成于单体的充电或放电期间的电化过程。
合金产物可以包含构成负电极、正电极和/或电解质的元素。合金产物可以具有与负电极、正电极或电解质不同的密度或者类似的或基本上相同的密度。与负电极、电解质和正电极的密度相比，合金产物的位置可能是合金产物的密度的函数。合金产物可以位于负电极、正电极或电解质中，或者负电极与电解质之间的位置处(例如，交界面)或正电极与电解质之间的位置处，或者它们的任何组合。在一个示例中，合金产物是正电极与电解质之间的金属间化合物(例如，见图4)。在一些情况下，一些电解质可以渗入于所述金属间化合物与所述正电极之间。在其他示例中，根据单体的化学过程、温度和/或充电状态，合金产物可以处于单体内其他位置并且由不同的化学计量/组成的材料形成。
图4是具有中间金属层410的电化学单体或电池400的截面侧视图。中间金属层410可以包括源自于负电极403的材料和正电极材料405的相互反应化合物。例如，液态金属负电极403可以包含碱金属或碱土金属(例如，Na、Li、K、Mg或Ca)，液态金属正电极405可以包含过渡金属，d区元素(例如，12族)，IIIA、IVA、VA或VIA族元素(例如，铅和/或锑和/或铋)中的一种或多种，而中间金属层410可以包括它们的相互反应化合物或产物(例如，碱的铅酸盐(“alkali plumbide”)、锑化物或铋化物，例如，Na3Pb、Li3Sb、K3Sb、Mg3Sb2、Ca3Sb2或Ca3Bi2)。中间金属层410的上交界面410a与电解质404相接触，而中间金属层410的下交界面410b与正电极405相接触。所述相互反应化合物在放电期间形成于液态金属正电极(在此配置中为液态金属阴极)405与液态盐电解质404之间的交界面处。该相互反应化合物(或产物)可以是固体或半固体的。在一个示例中，中间金属层410可以在液态金属阴极405与液态盐电解质404之间的交界面处形成。在一些情况下，中间金属层410可以显示出液体性质(例如，中间金属层可能是半固体的，或者它可以比一种或多种相邻的相/材料具有更高的粘度或密度)。
单体400包括第一集流体407和第二集流体408。第一集流体407与负电极403相接触，而第二集流体408与正电极405相接触。第一集流体407与导电馈通体402相接触。单体400的外壳401可以包括热绝缘和/或电绝缘的鞘套406。在一个示例中，液态金属负电极403包含镁(Mg)，液态金属正电极405包含锑(Sb)，而中间金属层410包含镁和锑(MgxSb，其中‘x’是大于0的数)，举例而言，诸如二锑化三镁(Mg3Sb2)。带有Mg||Sb化学过程的单体可以包含电解质内的镁离子以及其他盐(例如，MgCl2、NaCl、KCl或它们的组合)。在一些情况下，在放电状态下，单体的负电极缺少镁而正电极包含Mg-Sb的合金。在这样的情况下，在充电过程中，Mg从正电极供给，作为正离子穿过电解质，并到负集流体上沉积为Mg。在一些示例中，单体具有至少约550℃、600℃、650℃、700℃或750℃的操作温度，并且在一些情况下处于约650℃与约750℃之间。在充电状态下，单体的全部或基本上全部的组件可以处于液态。存在备选的化学过程，包括含有电解质中的卤化钙成分(例如，CaF2、KF、LiF、CaCl2、KCl、LiCl、CaBr2、KBr、LiBr或它们的组合)且在约500℃温度之上操作的Ca-Mg||Bi、含有电解质中的卤化钙成分(例如，CaF2、KF、LiF、CaCl2、KCl、LiCl、CaBr2、KBr、LiBr或它们的组合)且在约500℃温度之上操作的Ca-Mg||Sb-Pb、Li||Pb-Sb单体以及Na||Pb单体，其中Li||Pb-Sb单体包括含有锂离子的卤化物电解质(例如，LiF、LiCl、LiBr或它们的组合)且在约350℃和约550℃之间操作，Na||Pb单体包括作为电解质的一部分的卤化钠(例如，NaCl、NaBr、NaI、NaF、LiCl、LiF、LiBr、LiI、KCl、KBr、KF、KI、CaCl2、CaF2、CaBr2、CaI2或它们的组合)且在约300℃之上操作。在一些情况下，放电反应的产物可以是金属间化合物(例如，对于Mg||Sb单体化学过程为Mg3Sb2、对于Li||Pb-Sb化学过程为Li3Sb、对于Ca-Mg||Bi化学过程为Ca3Bi2或对于Ca-Mg||Pb-Sb化学过程为Ca3Sb2)，其中中间金属层可以发展为独特的固相，例如通过在正电极与电解质之间的交界面处沿着x方向水平地生长和扩张和/或沿着y方向垂直地生长或者扩张而发展。该生长关于位于单体或电池400的中心处的对称轴409可以是轴向对称的或不对称的。在一些情况下，是在类型1操作模式下而不是类型2操作模式下观察到中间金属层的。例如，在类型2单体的操作过程中可能未形成中间金属层(图4中的中间金属层)。
单体盖组装件和粘合密封件
单体盖组装件可以使用粘合密封件来实现气密且电绝缘的密封。如图5中所见，导电馈通体501可以与外壳电隔离，并且外壳可由安置于馈通体与外壳之间的粘合密封材料502来密封。所述粘合密封材料可以包括任何能够粘附至要密封的单体盖组装件的组件的密封剂材料。
在一些情况下，对于用粘合介电密封件密封的单体，小于1psi的压力可以足以维持气密密封。在一些情况下，至少一部分压力可以由电池中堆叠于彼此之上的一个或多个电化学单体的重量来供应。所述粘合密封材料可以包括玻璃密封件或钎焊陶瓷，举例而言，诸如带有Cu-Ag钎焊合金的氧化铝或其他陶瓷钎焊的组合。
在堆叠的电池配置下，可以期望减小顶部空间(例如，在单体室或空腔内部)，以使得相对更多的单体体积可以包含阳极和阴极材料(例如，使得单体可以具有更高的每单位体积的储能容量)。在一些情况下，顶部空间的高度(例如，如从馈通体的顶部至阳极的顶面所测量到的)是电池高度(例如，如从馈通体的顶部至外壳的底面所测量到的)的一小部分。在一些示例中，顶部空间是电池高度的约5％、约10％、约15％、约20％或约25％。在一些示例中，顶部空间是电池高度的至多约5％、至多约10％、至多约15％、至多约20％或至多约25％。
在一些示例中，阳极和阴极材料的合成体积是电池体积(例如，如由电池的最外面的外壳所限定的，诸如运输容器所限定的)的约20％、约30％、约40％、约50％、约60％或约70％。在一些示例中，阳极和阴极材料的合成体积为电池的体积的至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或至少约95％。
在一些示例中，对于具有至少约1cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm或更大的厚度的单体，电解质可以具有至少约0.01cm、0.05cm、0.1cm、0.5cm、0.8cm、1.0cm、1.3cm、1.5cm、2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm的厚度(以负电极/电解质与正电极/电解质交界面之间的距离所测量的)。在一些示例中，单体具有至多约3cm或4cm的厚度，而电解质厚度至多约1cm或2cm。
在一些情况下，使用少量导电馈通体或仅使用单一导电馈通体可能导致在电极上(例如，在负电极上)电流分布不均匀。多个导电馈通体(本文也指“导体”)可以在电极上更均匀地分布电流。在一些实现方式中，电化学储能装置包括外壳、液态金属电极、与液态金属电极接触的集流体和多个导体，所述导体与集流体电连通并且经外壳中的孔径穿过外壳突出。在一些示例中，电流可以跨液态金属电极基本上均匀地分布。
在一些示例中，液态金属电极沿着一个表面(和/或交界面)与电解质相接触，并且跨该表面(和/或交界面)流过的电流是均匀的。跨该表面(和/或交界面)的任何部分流过的电流可能基本上不偏离穿过该表面的平均电流。在一些示例中，跨该表面(和/或交界面)的一个区域流过的电流的最大密度小于约105％、小于约115％、小于约125％、小于约150％、小于约175％、小于约200％、小于约250％或小于约300％的跨该表面(和/或交界面)流过的电流的平均密度。在一些示例中，跨该表面(和/或交界面)的一个区域流过的电流的最大密度大于约50％、大于约60％、大于约70％、大于约80％、大于约90％或大于约95％的跨该表面(和/或交界面)流过的电流的平均密度。
图6示出了具有多个导电馈通体的单体的示例。在这些配置中，集流体可以结合至每个单体的共用的盖组装件中。这样的单体盖组装件可以与任何大小的单体一起使用。电化学储存装置和/或外壳可以包括任何数目的导电馈通体(例如，至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20或更多个)。在一些情况下，导电馈通体是分隔开的(A)。在一些情况下，导电馈通体共用公共上部(B)。
密封件的特征和性质
密封件可以是含有反应性材料的高温系统(例如，液态金属电池)的重要部件。本文所提供的是一种用于选择适合于形成密封件的材料的方法以及用于为含有反应性液态金属或液态金属蒸气和/或(一种或多种)反应性熔盐或反应性熔盐蒸气的系统(举例而言，诸如液态金属电池)设计合适的密封件的方法(例如，基于这些材料的选择以及对热性质、机械性质和电性质的考虑)。所述密封件还可以用作与包含反应性液态金属或反应性金属蒸气的器皿连接的电隔离馈通体的一部分，以用于除了储能之外的诸如包含熔融或高压Li蒸气的聚变反应堆等应用或者涉及液态钠、钾和/或锂的其他应用。使用稳定的陶瓷和导电材料还可以适合于带有反应性气体的应用，所述反应性气体诸如在半导体材料加工或装置制造中所使用的那些。
密封件可以是电绝缘且气密的(例如，密闭的)。密封件可以由不被系统/器皿组分的液相和蒸气相(例如，单体组分)所侵蚀的材料制成，举例而言所述组分诸如为熔融钠(Na)、熔融钾(K)、熔融镁(Mg)、熔融钙(Ca)、熔融锂(Li)、Na蒸气、K蒸气、Mg蒸气、Ca蒸气、Li蒸气或它们的任何组合。该方法将包括氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)陶瓷和活性合金钎焊接头(例如，Ti、Fe、Ni、B、Si或Zr合金基)的密封件识别为与最多的反应性金属蒸气是热力学稳定的，从而允许用于不被金属或金属蒸气明显地侵蚀的密封件的设计。
在一些实现方式中，密封件可以将负电流引线(例如，延伸到单体空腔中的金属棒)与带正电荷的单体本体(例如，单体罐(本文也指“容器”)和盖)在物理上分隔开。密封件可以充当在这些单体组件之间的电绝缘体，并且将这些活性单体组件(例如，液态金属电极、液态电解质和这些液体的蒸气)气密地隔离。在一些情况下，密封件防止了外部元素进入单体(例如，水分、氧气、氮气以及其他可能对单体的性能产生不利影响的污染物)。在表1中列出了一般密封件规格的一些示例。这样的规格(例如，性质和/或度量)可以包括但不限于，气密性、电绝缘、耐久性、库伦效率(例如，充电效率或往返(“round-trip”)效率)、DC-DC效率、放电时间和容量衰减率。
表1:一般密封件规格的示例
密封件可以是密闭的，例如，密闭至由氦气(He)泄漏率来量化的程度(例如，来自在操作条件下(例如，在操作温度、操作压强等下)充满He的装置的泄漏率)。在一些示例中，氦气(He)泄漏率可以是小于约1×10-6大气压立方厘米每秒(atm cc/s)、小于约5×10-7atmcc/s、小于约1×10-7atm cc/s、小于约5×10-8atm cc/s或小于约1×10-8atm cc/s。在一些情况下，He泄漏率相当于离开系统(例如，单体、密封件)的He的总泄漏率。在其他情况下，如果跨密封的交界面施加一个大气压的He压强，那么He泄漏率相当于He的总泄漏率，如由跨密封的交界面的实际He压强/浓度差和测量到的He泄漏率所确定的那样。密封件可以是电绝缘的。例如，跨密封件的阻抗可以是至少约50欧姆、至少约100欧姆、至少约500欧姆、至少约1kOhm(千欧姆)、至少约1.5kOhm、至少约2kOhm、至少约3kOhm、至少约5kOhm、至少约10kOhm、至少约100kOhm、至少约1兆欧姆(MOhm)、至少约10MOhm、至少约100MOhm或至少约1,000MOhm。密封件可以是耐久的。在一些示例中，密封件可以维持其完整性长达至少约1个月、至少约2个月、至少约6个月、至少约1年、至少约2年、至少约5年、至少约10年、至少约15年、至少约20年或更久。密封件在操作条件下可以具有这样的性质和/或度量。
在一些示例中，包括密封件在内的电池或装置可以具有至少约50％、至少约55％、至少约60％、至少约65％、至少约70％、至少约75％、至少约80％、至少约85％、至少约90％、至少约95％、至少约96％、至少约97％、至少约98％、至少约99％、至少约99.5％、至少约99.8％、至少约99.9％或更大的库伦效率(例如，在约200mA/cm2或约220mA/cm2的电流密度下测量的)。在一些示例中，包括密封件在内的电池或装置可以具有至少约50％、至少约55％、至少约60％、至少约65％、至少约70％、至少约75％、至少约80％、至少约85％、至少约90％、至少约95％或更大的DC-DC效率(例如，在约200mA/cm2或约220mA/cm2的电流密度下测量的)。在一些示例中，包括密封件在内的电池或装置可以具有至少约1小时、至少约2小时、至少约3小时、至少约4小时、至少约5小时、至少约6小时、至少约7小时、至少约8小时、至少约9小时、至少约10小时或更久的放电时间(例如，在约200mA/cm2或约220mA/cm2的电流密度下测量的)。在一些示例中，包括密封件在内的电池或装置可以具有在约4小时与约6小时之间、在约2小时与约6小时之间、在约4小时与约8小时之间或在约1小时与约10小时之间的放电时间(例如，在约200mA/cm2或约220mA/cm2的电流密度下测量的)。在一些示例中，包括密封件在内的电池或装置可以具有小于约10％/循环、小于约5％/循环、小于约1％/循环、小于约0.5％/循环、小于约0.1％/循环、小于约0.08％/循环、小于约0.06％/循环、小于约0.04％/循环、小于约0.02％/循环、小于约0.01％/循环、小于约0.005％/循环、小于约0.001％/循环、小于约0.0005％/循环、小于约0.0002％/循环、小于约0.0001％/循环、小于约0.00001％/循环或更小的容量衰减率(例如，放电容量衰减率)。容量衰减率可以以“％每循环”(例如，以％每充电/放电循环)提供对放电容量的变化(减少)的量度。
在一些情况下，密封件允许在一个或多个给定的操作条件(例如，操作温度、温度循环、电压、电流、内部气压、内部压强、振动等)实现电化学单体。在表2中描述了操作条件的一些示例。这样的操作条件可以包括但不限于举例而言诸如操作温度、闲置温度、温度循环变化、电压、电流、内部气压、外部气压、内部压强、振动和使用寿命等度量。
表2：单体的操作条件的示例
在一些示例中，操作温度(例如，操作过程中密封件所经受的温度)是至少约100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或更高。在一些示例中，操作过程中密封件所经受的温度是在约440℃与约550℃之间、约475℃与约550℃之间、约350℃与约600℃之间或者约250℃与约650℃之间。在一个示例中，可以达到约400℃至约500℃、约450℃至约550℃、约450℃至约500℃或约500℃至约600℃的操作温度或者约200℃或更高的操作温度(例如，适合于可以在低至200℃进行操作的单体化学过程)。在一些情况下，密封件所经受的温度可以是约等于电化学单体或高温装置(例如，储能装置)的操作温度。在一些情况下，密封件所经受的温度可以与电化学单体或高温装置的操作温度不同(例如，相差至少约或小于约1℃、5℃、10℃、20℃、50℃、100℃、150℃、200℃等)。在一个示例中，电化学单体包括维持在至少约200℃的温度(例如，单体的操作温度)下的反应性材料，而密封件的温度是至少约200℃(例如，与单体的操作温度相同或与单体的操作温度不同)。在一些情况下，密封件的操作温度可以低于或高于电化学单体或高温装置的操作温度。
在一些示例中，闲置温度(例如，当装置(例如，电池)闲置时密封件所经受的温度，举例而言，诸如在制造时、在运输过程中、装置(例如，电池)在关闭模式下时的温度)大于约-25℃、大于约-10℃、大于约0℃、大于约15℃、大于约20℃或大于约30℃。在一些示例中，闲置温度小于约30℃、小于约20℃、小于约15℃、小于约0℃、小于约-10℃、小于约-25℃或更低。在一些示例中，当装置闲置时密封件所经受的温度是在约-25℃与约50℃之间。
在一些示例中，温度循环变化(例如，装置(例如，电池)操作使用寿命内的过程中密封件可以经受的不频繁但大幅度的热循环)是在至少约100℃、至少约200℃、至少约300℃、至少约400℃、至少约500℃、至少约600℃、至少约700℃、至少约800℃或至少约900℃的范围上。在一些示例中，所述温度循环变化是在小于约100℃、小于约200℃、小于约300℃、小于约400℃、小于约500℃、小于约600℃、小于约700℃、小于约800℃或小于约900℃的范围上。在一个示例中，所述温度循环变化是在约-25℃与约700℃之间。所述密封件可以在至少约1个热循环、至少约5个热循环、至少约10个热循环、至少约20个热循环、至少约40个热循环、至少约80个热循环、至少约100个热循环或至少约1000个热循环之后经得起(例如，继续满足所有需要的规格)这样的温度循环变化。在一些情况下，所述单体和密封件可以每年进行热循环至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95、100或更多次(例如，从室温上升到操作温度)。所述密封件可以能够经得起高于或低于典型的操作温度范围极限的短暂的温度偏移。例如，所述密封件可以能够经得起温度偏移长达约1小时、2小时、3小时、4小时、5小时、6小时、7小时、8小时、9小时、10小时、12小时、14小时、16小时、18小时、20小时、22小时、24小时或更久。在一些情况下，这样的温度偏移不可以超过700℃。
在一些示例中，电压(例如，跨密封件的电压降)为至少约0.1V、至少约0.5伏特(V)、至少约1V、至少约1.5V、至少约2V、至少约2.5V、至少约3V、至少约4V、至少约5V、至少约6V、至少约7V、至少约8V、至少约9V或至少约10V。在一些示例中，所述电压小于约0.1V、小于约0.5V、小于约1V、小于约1.5V、小于约2V、小于约2.5V、小于约3V、小于约4V、小于约5V、小于约6V、小于约7V、小于约8V、小于约9V或小于约10V。在一些示例中，所述跨密封件的电压降在约0V与约3V之间或在约0V与约10V之间。
在一些示例中，电流(例如，流过与密封件交界的材料的电流)为至少约0安培(A)、至少约5A、至少约10A、至少约25A、至少约50A、至少约100A、至少约150A、至少约200A、至少约250A、至少约300A、至少约350A、至少约400A、至少约450A或至少约500A。在一些示例中，所述电流小于约0A、小于约5A、小于约10A、小于约25A、小于约50A、小于约100A、小于约150A、小于约200A、小于约250A、小于约300A、小于约350A、小于约400A、小于约450A或小于约500A。在一些示例中，所述流过与密封件交界的材料的电流在约0A与约500A之间。
在一些示例中，内部气压(例如，反应性材料的蒸气，举例而言，诸如来自密封件所暴露于的装置(例如，电池)内的碱金属或反应性碱土金属和卤化盐)包括碱金属或碱土金属和卤化盐的至少约1×10-5托、至少约5×10-5托、至少约1×10-4托、至少约5×10-4托、至少约1×10-3托、至少约5×10-3托、至少约1×10-2托、至少约5×10-2托、至少约1×10-1托、至少约5×10-1托或至少约1托的蒸气压强。在一些示例中，所述内部气压包括碱金属或碱土金属和卤化盐的小于约1×10-5托、小于约5×10-5托、小于约1×10-4托、小于约5×10-4托、小于约1×10-3托、小于约5×10-3托、小于约1×10-2托、小于约5×10-2托、小于约1×10-1托、小于约5×10-1托或小于约1托的蒸气压强。在一些示例中，密封件所暴露于的内部气压包括碱金属或碱土金属和卤化盐的至少约0.001托(约0.133Pa)或至少约0.01托(约1.33Pa)的蒸气压强。在一些示例中，密封件所暴露于的内部气压包括碱金属或碱土金属和卤化盐的小于约0.001托(约0.133Pa)或小于约0.01托(约1.33Pa)的蒸气压强。
单体和密封件的外表面可以暴露于大气(例如，包含O2、N2、Ar、CO2、H2O的周围环境)。在一些示例中，外部大气(例如，来自装置(例如，电池)外部的、密封件所暴露于的大气，举例而言，诸如周围空气、高水分等)处于至少约0℃、至少约50℃、至少约100℃、至少约150℃、至少约200℃、至少约250℃、至少约300℃、至少约350℃、至少约400℃、至少约450℃、至少约500℃、至少约550℃、至少约600℃、至少约700℃、至少约750℃、至少约800℃、至少约850℃或至少约900℃的温度下。在一些示例中，所述外部大气处于小于约0℃、小于约50℃、小于约100℃、小于约150℃、小于约200℃、小于约250℃、小于约300℃、小于约350℃、小于约400℃、小于约450℃、小于约500℃、小于约550℃、小于约600℃、小于约700℃、小于约750℃、小于约800℃、小于约850℃或小于约900℃的温度下。在一些示例中，所述密封件所暴露于的、来自装置的外部的大气处于约0℃与550℃之间、约350℃与约600℃之间或约250℃与约650℃之间的温度下(例如，伴随以100％的相对湿度)。这样的温度可以伴随以至少约10％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或100％的相对湿度。例如，这样的温度伴随以100％的相对湿度。
在一些示例中，内部压强(例如，跨密封件的真空梯度或正压强)可以为至少约0atm、至少约0.1atm、至少约0.2atm、至少约0.4atm、至少约0.6atm、至少约0.8atm、至少约1atm、至少约1.5atm、至少约2atm、至少约2.5atm、至少约3atm、至少约3.5atm、至少约4atm或至少约5atm。在一些示例中，所述内部压强可以小于约0atm、小于约0.1atm、小于约0.2atm、小于约0.4atm、小于约0.6atm、小于约0.8atm、小于约1atm、小于约1.5atm、小于约2atm、小于约2.5atm、小于约3atm、小于约3.5atm、小于约4atm或小于约5atm。在一些示例中，跨密封件的真空梯度或正压强在约0.5atm与约4.0atm之间。
密封件可以能够处理振动(例如，在制造、运输、安装、操作和罕见事件(举例而言，诸如密封件可能暴露于的掉落或震动冲击)期间所引起的振动)。在一个示例中，密封件能够处理类似于运输的振动负荷(例如，当在单体或系统应用中使用时)。
密封件可以具有给定的使用寿命(在完全操作中密封件的期望使用寿命)。在一些示例中，密封件的使用寿命为至少约1个月、至少约2个月、至少约6个月、至少约1年、至少约2年、至少约5年、至少约10年、至少约15年、至少约20年或更久。密封件可以在至少约20％、至少约40％、至少约60％、至少约80％、至少约90％或完全操作的操作(例如，利用率)下具有这样的使用寿命。密封件可以在小于约75％、小于约50％、小于约40％、小于约30％、小于约20％、小于约15％、小于约10％、小于约5％或小于约1％的故障率下具有这样的使用寿命。在一个示例中，密封件具有20年的使用寿命并伴随着小于约1％的故障，或者20年的使用寿命并伴随着小于约10％的故障。
密封件可以具有至少约10、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500、600、700、800、900、1,000、1,500或2,000个循环的循环寿命(例如，在单体的性能劣化之前和/或在电化学单体/电池/储能装置的容量下降到例如低于其初始容量的80％之前，该密封件能够支撑的单体的完全充电/放电循环的数目)。
单体外部尺寸可影响系统设计和性能。例如，可以将密封件高度限制为在单体顶板(例如，单体容器盖的顶面)之上的给定距离。在一些情况下，密封件高度可以为小于单体顶板之上约2英寸、小于单体顶板之上约1英寸、小于单体顶板之上约1/2英寸(例如，由于单体之间的间隔可以改变堆叠单体室内的热环境)、小于单体顶板之上约1/4英寸或者至小于单体顶板之上约1/8英寸。在一些情况下，通过单体盖中的孔径从单体外部传导电流的导体(例如，负电流引线)的电阻是足够低的。例如，导体的电阻足够低以达到给定的系统效率(例如，约40％、约50％、约60％、约75％、约80％、约90％、约95％或约99％的能量效率)。在一些情况下，虽然减小导体的直径或径向圆周可以允许在该导体周围形成更牢固的密封，但导致导体的电阻增加。在这样的情况下，导体的电阻可以减小或最小化到足以形成牢固的密封的值(例如，在该密封中导体的电阻可以尽可能低，只要可以制造出牢固的密封即可，并且该导体可以足够大以达到低的电阻但是足够小以在该导体周围实现牢固的密封)。所述电阻可以小于约200毫欧姆(mOhm)、小于约100mOhm、小于约80mOhm、小于约50mOhm、小于约30mOhm、小于约10mOhm、小于约3mOhm、小于约1mOhm、小于约0.75mOhm、小于约0.5mOhm、小于约0.3mOhm、小于约0.1mOhm、小于约0.075mOhm、小于约0.05mOhm、小于约0.03mOhm或小于约0.01mOhm。
可以考虑材料(例如，单体盖组装件材料、一种或多种粘合密封材料等)的化学稳定性(例如，以确保密封件在系统可能达到的所有可能的温度期间的耐久性)。密封件可能暴露于一种或多种不同的大气，包括单体内部(内部大气)和露天(外部大气)。例如，密封件可能暴露于包含水分的典型的空气成分，以及暴露于单体中潜在的腐蚀性活性材料。在一些实现方式中，提供了密闭的密封件。气密密封的电池或电池外壳可以防止不适当量的空气、氧气和/或水进入该电池。在一些情况下，气密密封的单体或单体外壳可以防止气体或金属/盐蒸气(例如，氦气、氩气、负电极蒸气、电解质蒸气)从单体泄漏。
密封件可以满足一种或多种规格，包括但不限于：电绝缘和密闭的、在操作温度下在使用寿命期间持续运转的能力、热循环能力、导体(例如，负电流引线)的足够高的导电性、不过度地从单体本体突出的配置、与活性组分的液体和蒸气化学稳定的内表面、在空气中稳定的外表面、避免在高电势下形成电弧的能力等。
在一些实现方式中，电化学单体包括导电外壳，该导电外壳包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属(包含液态金属合金)。在一些情况下，操作温度至少为约350℃。在一些情况下，电化学单体能够储存至少约50瓦时(Wh)的能量。在其他情况下，电化学单体能够储存至少约270瓦时(Wh)的能量。液态金属可以被配置为电化学单体的一部分，该电化学单体在电化学单体的充电和/或放电过程中可以储存/释放电荷。电化学单体可以包括与液态金属电接触的导体，其中所述导体经导电外壳中的孔径穿过该导电外壳突出。电化学单体可以包括将导体密封至导电外壳的密封件。
该密封件可以提供任何合适的低氦气泄漏率。在一些情况下，该密封件在约25℃下提供约1×10-10、约1×10-9、约1×10-8、约1×10-7、约5×10-7、约1×10-6、约5×10-6、约1×10-5或约5×10-5大气压-立方厘米每秒(atm-cc/s)的氦气泄漏率。在一些情况下，该密封件在至少约-25℃、至少约0℃、至少约25℃、至少约50℃、至少约200℃、至少约350℃、至少约450℃、至少约550℃或至少约750℃的温度(例如，单体的操作温度或密封件的温度)下提供不超过约1×10-10、不超过约1×10-9、不超过约1×10-8、不超过约1×10-7、不超过约5×10-7、不超过约1×10-6、不超过约5×10-6、不超过约1×10-5或不超过约5×10-5大气压-立方厘米每秒(atm-cc/s)的氦气泄漏率。该密封件可以在电化学单体已经操作(例如，在额定容量下)例如长达至少约1个月、至少约6个月、至少约1年、至少约5年、至少约10年、至少约20年或更久的时段时提供这样的氦气泄漏率。在一些情况下，该密封件可以在电化学单体已经操作了至少约350个充电/放电循环、至少约500个循环、至少约1,000个循环、至少约3,000个循环、至少约10,000个循环、至少约50,000个循环、至少约75,000个循环或至少约150,000个循环时提供这样的氦气泄漏率。
该密封件可以将导体与导电外壳电隔离。电隔离的程度可以通过测量跨该密封件的阻抗来量化。在一些情况下，在任何操作、静止或储存温度下跨密封件的阻抗为约0.1千欧姆(kOhm)、约1kOhm、约5kOhm、约10kOhm、约50kOhm、约100kOhm、约500kOhm、约1,000kOhm、约5,000kOhm、约10,000kOhm、约50,000kOhm、约100,000kOhm或约1,000,000kOhm。在一些情况下，在任何操作、静止或储存温度下，跨密封件的阻抗为至少约0.1kOhm、至少约1kOhm、至少约5kOhm、至少约10kOhm、至少约50kOhm、至少约100kOhm、至少约500kOhm、至少约1,000kOhm、至少约5,000kOhm、至少约10,000kOhm、至少约50,000kOhm、至少约100,000kOhm或至少约1,000,000kOhm。在一些情况下，在任何操作、静止或储存温度下，跨密封件的阻抗为小于约0.1kOhm、小于约1kOhm、小于约5kOhm、小于约10kOhm、小于约50kOhm、小于约100kOhm、小于约500kOhm、小于约1,000kOhm、小于约5,000kOhm、小于约10,000kOhm、小于约50,000kOhm、小于约100,000kOhm或小于约1,000,000kOhm。密封件可以在电化学单体已经操作(例如，在额定容量下)例如长达至少约1个月、至少约6个月、至少约1年或更久的时段时提供电隔离。在一些情况下，该密封件在电化学单体已经操作了至少约350个充电/放电循环、至少约500个循环、至少约1,000个循环、至少约3,000个循环、至少约10,000个循环、至少约50,000个循环、至少约75,000个循环、至少约150,000个循环时提供电隔离。
密封件可以在电化学单体已经操作长达至少约1年、至少约5年、至少约10年、至少约20年、至少约50年或至少约100年的时段时提供电隔离。在一些情况下，密封件在电化学单体已经操作了约350个充电/放电循环时提供电隔离。
气密密封的电池或电池外壳可以防止不适当量的空气、氧气和/或水进入该电池(例如，某一量，所述量在电池在至少约1年、至少约2年、至少约5年、至少约10年或至少约20年内以至少约100mA/cm2充电和放电时使得该电池维持其储能容量的至少约80％和/或维持至少约90％每循环的往返库伦效率)。在一些情况下，当电池与在高于或至少约(或小于约)0.1atm、0.2atm、0.5atm、1atm或低于电池内部压强的至少约(或小于约)0大气压(atm)、0.1atm、0.2atm、0.3atm、0.4atm、0.5atm、0.6atm、0.7atm、0.8atm、0.9atm或0.99atm的压强下且在约400℃至约700℃的温度下的空气接触时，氧气、氮气和/或水蒸气转移进该电池的速率小于约0.25毫升(mL)每小时、小于约0.21mL每小时或小于约0.02mL每小时。在一些情况下，当电池与在小于电池内部压强的约0.5atm、1atm、1.5atm、2atm、2.5atm、3atm、3.5atm或4atm的压强下且在约400℃至约700℃的温度下的空气接触时，金属蒸气、熔盐蒸气或惰性气体转移到该电池外的速率小于约0.25mL每小时、小于约0.21mL每小时或小于约0.02mL每小时。在一些示例中，在给定时段(例如，1个月时段、6个月时段、1年时段、2年时段、5年时段、10年时段或更久)内泄漏进入单体的氧气、氮气或水蒸气的摩尔数小于单体中活性材料(例如，活性金属材料)的摩尔数的约10％、小于约5％、小于约3％、小于约1％、小于约0.5％、小于约0.1％、小于约0.05％或小于约0.5％。
含有反应性材料的密封高温装置在一些情况下可以经受增加的内部压强(例如，如果装置的温度增加高于该装置内的材料中的一种或多种材料的沸点)。所述装置可以包括接合(例如，钎焊或焊接)在一起的金属外壳(例如，不锈钢单体本体)和金属外壳盖(例如，不锈钢单体盖)。该单体盖可以包括高温密封件。在装置内部压强累增的情况下，该装置可能破裂。在一些情况下，所述装置可能破裂、出射材料并且导致危险事件。可以期望该装置包括在其达到危险水平之前使压强减轻的组件。还可以期望减压组件处于该装置的气体顶部空间中以使得压强经由气体组分而非液体组分的逃逸而释放。
在一些实现方式中，密封件可被设计用于在临界压强之上和/或在临界温度之上充当减压组件(例如，作为该装置的最弱部分，其将会允许可以在该装置内部累增的压强通过密封件释放)。可以在装置上提供一个或多个密封件(例如，导体周围的密封件、专用的减压密封件、导体周围的也提供减压的密封件等)。在一些情况下，当装置和/或密封件被加热高于用于创造金属至陶瓷的密封的交界面的钎焊材料的熔点时，密封件释放压强。在一些情况下，密封件中陶瓷至金属接合点的强度和/或几何形状被设计用于在装置外壳和/或盖的金属至金属接合点之前(和/或在密封件的金属至金属接合点之前)发生故障(例如，泄漏)。例如，密封件中的一个或多个陶瓷至金属钎焊接头可以比装置外壳和/或盖的金属至金属焊接点更弱。在一些示例中，装置内部的临界压强可以是大于约1atm、2atm、3atm、4atm、5atm、10atm、20atm、50atm或100atm。在一些示例中，临界温度(例如，装置的和/或密封件的)可以为大于约300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃或1400℃。
在一些实现方式中，单体包括阳极和阴极。该单体可以能够储存至少约10Wh的能量并且可以气密地或非气密地密封。阳极和阴极中的至少一个可以是液态金属。
在一些实现方式中，一组单体能够储存至少约10kWh的能量并且每个单体是气密地或非气密地密封的。如果单体不是气密地密封的，那么电池(例如，串联或并联的若干单体)可以是气密地密封的。
在一些实现方式中，单体外壳包括导电容器、容器孔径和与集流体电连通的导体。导体可以穿过容器孔径并且可以与导电容器电隔离。外壳可以能够气密地封闭能够储存至少约10Wh的能量的单体。
密封材料、化学相容性和热膨胀系数
密封件可以由任何合适的材料制成(例如，使得该密封件形成密闭的密封和电隔离)。在一些情况下，密封件由陶瓷材料和钎焊材料制成。陶瓷材料和钎焊材料可以具有彼此匹配和/或与外壳材料相匹配的热膨胀系数(CTE)以使得电化学单体在电池的操作和/或启动过程中维持合适的密封。陶瓷材料可以具有与钎焊材料和单体顶部(例如，盖或帽或者单体盖组装件的任何组件)或主体或者它们的组合的热膨胀系数相匹配的热膨胀系数。
在一些情况下，虽然陶瓷材料、钎焊材料和单体顶部或主体的热膨胀系数并非完全等同地匹配，但是足够接近以便最小化钎焊操作过程中以及随后的操作中的热循环过程中的应力。在一些情况下，陶瓷的CTE为至少约3微米每米每摄氏度(μm/m/℃)、至少约4μm/m/℃、至少约5μm/m/℃、至少约6μm/m/℃、至少约7μm/m/℃、至少约8μm/m/℃、至少约9μm/m/℃、至少约10μm/m/℃、至少约11μm/m/℃、至少约12μm/m/℃、至少约13μm/m/℃或至少约14μm/m/℃。在一些情况下，陶瓷的CTE为小于约3μm/m/℃、小于约4μm/m/℃、小于约5μm/m/℃、小于约6μm/m/℃、小于约7μm/m/℃、小于约8μm/m/℃、小于约9μm/m/℃、小于约10μm/m/℃、小于约11μm/m/℃、小于约12μm/m/℃、小于约13μm/m/℃或小于约14μm/m/℃。在一些情况下，金属套环或套管的CTE为至少约5μm/m/℃、至少约6μm/m/℃、至少约7μm/m/℃、至少约8μm/m/℃、至少约9μm/m/℃、至少约10μm/m/℃、至少约11μm/m/℃、至少约12μm/m/℃、至少约13μm/m/℃或至少约14μm/m/℃。在一些情况下，金属套环或套管的CTE为小于约5μm/m/℃、小于约6μm/m/℃、小于约7μm/m/℃、小于约8μm/m/℃、小于约9μm/m/℃、小于约10μm/m/℃、小于约11μm/m/℃、小于约12μm/m/℃、小于约13μm/m/℃或小于约14μm/m/℃。在一些情况下，陶瓷材料包含至少约50％的AlN并且具有小于约5μm/m/℃的CTE。在一些情况下，金属套环或套管包含Zr并且具有约或小于约7μm/m/℃的CTE。在一些情况下，(例如，陶瓷材料、钎焊材料和单体顶部或本体中的任何两个之间的)热膨胀系数的最大差异可能为小于约0.1微米每米每摄氏度(μm/m/℃)、小于约0.5μm/m/℃、小于约1μm/m/℃、小于约2μm/m/℃、小于约3μm/m/℃、小于约5μm/m/℃、小于约7μm/m/℃、小于约10μm/m/℃或小于约15μm/m/℃。
在一些情况下，密封件包括金属套环(例如，薄金属套环)或套管。套环或套管可以钎焊至陶瓷(例如，经由钎焊材料)并且接合至单体盖和/或负电流引线，该负电流引线穿过单体盖突出并进入单体空腔。密封件可以包括减小陶瓷与单体盖和/或负电流引线之间的CTE不匹配的特征。
在一些实现方式中，电化学单体包括导电外壳，该导电外壳包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属。在一些情况下，操作温度至少约为350℃。在一些情况下，电化学单体能够储存至少约50瓦时(Wh)的能量。液态金属(包括液态金属合金)可以被配置用于在电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷。电化学单体可以包括与液态金属电接触的导体，其中所述导体经导电外壳中的孔径穿过该导电外壳突出。电化学单体可以包括将导体密封至导电外壳的密封件。
在一些情况下，密封件包括陶瓷材料和钎焊材料。在一些情况下，陶瓷材料与反应性材料(例如，反应性液态金属或反应性液态金属蒸气)是热力学稳定的(例如，不发生化学反应)。在一些情况下，陶瓷材料与熔盐是热力学稳定的、不被熔盐侵蚀且不会溶解至熔盐中。陶瓷材料的示例包括但不限于，氮化铝(AlN)、氮化铍(Be3N2)、氮化硼(BN)、氮化钙(Ca3N2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、氧化铍(BeO)、氧化钙(CaO)、氧化铈(Ce2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化钪(Sc2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ，“yttriapartially stabilized zirconia”)、碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、二硼化钛(TiB2)、硫属化物、石英、玻璃或它们的任何组合。
在一些情况下，钎焊材料包括至少一种在反应性材料中具有低溶解度的钎焊成分，其中该反应性材料具有低溶解度，该钎焊成分在装置的操作温度下不与反应性材料反应(例如，不与之形成金属间合金)以及/或者在装置的操作温度之上熔化。反应性材料可以是反应性金属。在一些示例中，钎焊材料包括至少一种在反应性金属中具有低溶解度的钎焊成分。在一些示例中，反应性金属在钎焊成分中具有低溶解度。在一些示例中，钎焊成分在装置的操作温度下不会与反应性金属形成金属间合金。在一些示例中，钎焊成分在装置的操作温度之上熔化。钎焊成分材料的示例包括但不限于，铝(Al)、铍(Be)、铜(Cu)、铬(Cr)、铁(Fe)、锰(Mn)、钼(Mo)、镍(Ni)、铌(Nb)、铷(Rb)、钪(Sc)、银(Ag)、钽(Ta)、钛(Ti)、钒(V)、钇(Y)、锆(Zr)、磷(P)、硼(B)、碳(C)、硅(Si)或它们的任何组合。在一些情况下，陶瓷材料包括氮化铝(AlN)，而钎焊材料包括钛(Ti)。在一些情况下，钎焊材料包括两种或更多种材料(例如，3种材料)的混合物。材料可以以任何比例提供。例如，钎焊接头可以包括比率约为30：30：40或40：40：20的(例如，以重量-％、原子-％、摩尔-％或体积-％)的3种材料。在一些情况下，钎焊材料包括Ti-Ni-Zr的混合物。在一些情况下，钎焊接头包括至少约20、30或40重量-％的钛、至少约20、30或40重量-％的镍和至少约20、30或40重量-％的锆。在一些情况下，钎焊接头包括小于约20、30或40-重量％的钛、小于约20、30或40重量-％的镍和小于约20、30或40重量-％的锆。在一些情况下，钎焊接头包括约18％Ti、约60％Zr、约22％Ni(例如，在重量-％、原子-％、摩尔-％或体积-％的基础上)。在一些情况下，钎焊接头包括约7％Ti、约67％Zr和约26％Ni(例如，在重量-％、原子-％、摩尔-％或体积-％的基础上)。在一些情况下，钎焊接头可以包括至少约或小于约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85、90、95或更多的重量-％、原子-％、摩尔-％或体积-％的钛、镍或锆(或本文的任何其他钎焊材料)。在一些情况下，其他合适的(一种或多种)钎焊材料可以添加到钎焊接头以改善化学稳定性、改变熔化温度或改变机械性质(例如，改变钎焊接头的CTE、改变钎焊接头的延展性等)。
在一些情况下，陶瓷材料包括主要陶瓷材料(例如，AlN)和次要陶瓷材料，所述次要陶瓷材料也是热力学稳定的，举例而言，诸如Y2O3、La2O3和/或本文所描述的任何其他陶瓷材料(例如，AlN、Be3N2、BN、Ca3N2、Si3N4、Al2O3、BeO、CaO、Ce2O3、Er2O3、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Sc2O3、Yb2O3、ZrO2、YPSZ、B4C、SiC、TiC、ZrC、TiB2、硫属化物、石英、玻璃或它们的任何组合)。在一些示例中，主要陶瓷材料(例如，AlN陶瓷)包括按重量计次要陶瓷材料(或次要陶瓷材料的组合)的至少约0.1％、至少约0.5％、至少约1％、至少约2％、至少约3％、至少约4％、至少约5％、至少约6％、至少约7％、至少约8％、至少约9％、至少约10％、至少约15％或至少约20％。在一些情况下，次要陶瓷材料通过降低陶瓷的烧结温度从而减小晶粒尺寸、通过在主要陶瓷材料的晶粒之间形成玻璃相以促进曲折裂纹生长路径或者通过其他(一种或多种)用于陶瓷增韧的强化机制，来起到增加陶瓷强度的作用。在一些情况下，陶瓷包括与单体的内容物(例如，反应性金属和熔盐)热力学稳定的主要陶瓷材料(例如，大于约50、60、70、80、90、95或更多的重量-％)，以及足够低的数量(例如，在重量、原子、摩尔或体积的基础上小于约20％或小于约15％)的、非热力学稳定的(例如，与单体的内容物是不稳定的和/或与单体外部的大气是不稳定的)次要陶瓷材料(例如，MgO)。次要陶瓷材料可以作为颗粒存在，所述颗粒散布遍及大部分主要陶瓷材料(例如，以使得大多数次要陶瓷颗粒不与其他次要陶瓷颗粒直接接触的方式散布)。在一些情况下，次要陶瓷材料颗粒通过建立应力集中的局部区域以促进裂纹尖端偏转和裂纹尖端钉扎(“crack tip pinning”)而强化整体陶瓷材料。在一些情况下，可以将次要陶瓷材料添加到主要陶瓷材料以将整体陶瓷材料的CTE调整为与金属套环或套管或者单体盖的CTE更紧密地匹配。当暴露于(一种或多种)反应性金属和/或(一种或多种)熔盐和/或空气时，表面上的次要陶瓷颗粒可能被侵蚀，但是散布遍及大部分主要陶瓷材料的次要陶瓷颗粒可能不被侵蚀，从而使陶瓷材料在暴露于(一种或多种)反应性金属和/或(一种或多种)熔盐时能够是化学稳定的。
在一些示例中，这样的陶瓷包括主要陶瓷材料(例如，Y2O3)和按重量计至少约2％、至少约4％、至少约6％、至少约8％、至少约10％、至少约12％或至少约15％的次要陶瓷材料(例如，AlN、Be3N2、BN、Ca3N2、Si3N4、Al2O3、BeO、CaO、Ce2O3、Er2O3、La2O3、MgO、Nd2O3、Sm2O3、Sc2O3、Yb2O3、ZrO2、YPSZ、B4C、SiC、TiC、ZrC、TiB2、硫属化物、石英、玻璃或它们的任何组合)。在一些示例中，陶瓷主要包括带有按重量计小于约2％、小于约4％、小于约6％、小于约8％、小于约10％、小于约12％或小于约15％的次要陶瓷材料(或次要陶瓷材料的组合)的主要陶瓷材料(例如，Y2O3)。在一些示例中，主要陶瓷材料是Y2O3。在一些示例中，次要陶瓷材料是MgO。在一个示例中，陶瓷主要包括带有约12.5重量-％的MgO颗粒的Y2O3。在一些情况下，包含Y2O3和例如约12.5重量％的MgO的陶瓷可以在单体和/或系统的操作温度下具有与钢或不锈钢合金(例如，430不锈钢)的CTE紧密地匹配(例如，在约10％或更小的范围内)的CTE。
因此主要陶瓷材料和次要材料的示例包括本公开内容的任何陶瓷材料，举例而言，诸如氮化铝(AlN)、氮化铍(Be3N2)、氮化硼(BN)、氮化钙(Ca3N2)、氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、氧化铍(BeO)、氧化钙(CaO)、氧化铈(Ce2O3)、氧化铒(Er2O3)、氧化镧(La2O3)、氧化镁(MgO)、氧化钕(Nd2O3)、氧化钐(Sm2O3)、氧化钪(Sc2O3)、氧化镱(Yb2O3)、氧化钇(Y2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)、碳化硼(B4C)、碳化硅(SiC)、碳化钛(TiC)、碳化锆(ZrC)、二硼化钛(TiB2)、硫属化物、石英、玻璃或它们的任何组合。
钎焊接头可以是惰性钎焊接头或活性钎焊接头。惰性钎焊接头可以使陶瓷材料熔化和湿润或者使具有沉积于其上的金属化层的陶瓷材料湿润。铜和银是惰性钎焊接头的示例。活性钎焊接头可以与陶瓷发生反应(例如，化学地还原陶瓷的金属组分(例如，从AlN中还原Al))。在一些情况下，活性钎焊接头可以包含具有诸如钛(Ti)或锆(Zr)等与陶瓷材料发生反应的活性金属种类(例如，AlN+Ti→Al+TiN或AlN+Zr→Al+ZrN)的金属合金。活性钎焊接头还可以包含一种或多种惰性组分(例如，Ni)。(一种或多种)惰性组分例如可以降低钎焊接头的熔点和/或改善钎焊接头的化学稳定性。在一些情况下，活性金属钎焊接头在陶瓷上成珠状立起和/或不湿润陶瓷。
密封件可以气密地密封电化学单体。在一些情况下，密封件对于与电化学单体接触的大气是惰性的。与电化学单体接触的大气可以包含氧气(O2)、氮气(N2)、水(H2O)或它们的组合。在一些情况下，陶瓷材料和/或钎焊材料经涂覆以提供对接触电化学单体的大气的抗性。例如，涂层可以包括二氧化硅(SiO2)、氧化钇(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)或它们的任何组合。
密封件对于金属蒸气和熔盐可以至少部分是惰性的。在一些情况下，金属蒸气包含锂、钠、钾、镁、钙或它们的任何组合。陶瓷材料和/或钎焊材料可以经涂覆以提供对金属蒸气和熔盐的抗性。例如，涂层可以是氧化钇(Y2O3)、氧化铒(Er2O3)、氮化硼(BN)、氮化铝(AlN)、氮化硅(Si3N4)、碳化硅(SiC)或它们的任何组合。
在一些情况下，陶瓷材料和钎焊材料的热膨胀系数与导电外壳和/或导体的热膨胀系数匹配(例如，至约1％以内、至约5％以内、至约10％以内、至约15％以内、至约20％以内或至约30％以内)。在一些情况下，如果钎焊接头相比于陶瓷和/或密封件的其他组件或子组装件(例如，金属套管)的CTE不是相似的CTE，那么可以形成密闭的接合点。
密封件可以焊接或钎焊至导电外壳、单体(外壳)盖和/或导体。在一些情况下，导电外壳和/或导体包括400系列不锈钢、300系列不锈钢、镍或它们的任何组合。
图7示出了各种类型的钢和绝缘陶瓷的以百万分率(ppm，parts per million)每℃为单位的CTE。在250℃与800℃之间430不锈钢705的CTE在约10ppm/℃至约12ppm/℃的范围内可近似线性地变化。在250℃与800℃之间镍钴铁合金710的CTE在约5ppm/℃至约10ppm/℃的范围内可非线性地变化。在250℃与800℃之间氮化铝陶瓷715的CTE可以相对恒定在约4.5ppm/℃。
图8示出了各种类型的套管或套环材料(例如，钢)、钎焊材料和绝缘陶瓷的以分率(p,parts)每℃为单位的CTE。套管或套环材料例如可以包含304不锈钢805、430不锈钢810、410不锈钢815和镍钴铁合金820。钎焊材料例如可以包含镍-100 825、钼(Mo)830和钨(W)835。陶瓷材料例如可以包含氮化铝(AlN)840、氧化铝(Al2O3)845、方向平行于晶粒取向的氮化硼(BN)850、方向垂直于晶粒取向的氮化硼(BN)855、氧化钇(Y2O3)860和氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)865。
密封件的CTE可以以任何合适的容差与外壳和/或导体的CTE相匹配。在一些情况下，密封件使导体与导电外壳电隔离，其中密封件的CTE至少约1％、至少约5％、至少约10％、至少约15％、至少约20％、至少约30％、至少约50％、至少约60％、至少约70％或至少约80％不同于和/或小于导电外壳和/或导体的CTE。在一些情况下，密封件使导体与导电外壳电隔离，其中密封件的CTE小于约1％、小于约5％、小于约10％、或小于约15％、或小于约20％、或小于约30％、小于约50％、小于约60％、小于约70％或小于约80％不同于和/或小于导电外壳和/或导体的CTE。
在操作温度下和/或在单体的启动(例如，从非熔融金属电极开始)期间密封件的CTE可以与导电外壳或导体的CTE相匹配。在一些情况下，在操作电化学单体的温度下密封件的CTE与导电外壳和/或导体的CTE的差异小于约5％、小于约10％、小于约15％或小于约20％。在一些情况下，在约-10℃与操作温度之间的所有温度下密封件的CTE与导电外壳和/或导体的CTE的差异小于约5％、小于约10％、小于约15％或小于约20％。
可以将构成密封件(例如，陶瓷绝缘体、钎焊合金和套管/套环)的材料选择为与单体的内部和/或外部环境是化学相容的(例如，与其接触是稳定的)。
图9示出了在一个温度范围内各种材料的生成吉布斯(Gibbs free energy offormation)自由能(ΔGr)，其中负数在热力学上更为稳定905。示例包括氮化锂(Li3N)910、氮化铝(AlN)915和氮化钛(TiN)920的ΔGr曲线。不同绝缘陶瓷材料的热力学评估可以表明在存在锂的情况下氮化铝(电绝缘陶瓷)能够是稳定的(例如，由于AlN的N的每摩尔ΔGr比Li3N的更为负)。另外，TiN的N的每摩尔ΔGr比Li3N的更为负并且也比AlN的更为负。因此，钛合金钎焊接头可以将AlN化学还原并且形成TiN(例如，通过反应AlN+Ti→TiN+Al)，其进而可以与钛合金钎焊接头良好地结合。可以选择反应性材料(例如，反应性金属)、陶瓷和钎焊材料以使得反应性金属-、陶瓷-和钎焊料-氮化合物的稳定性(例如，归一化的生成吉布斯自由能(ΔGr,n)，举例而言，诸如用每个化合物化学式中氮原子的数目所归一化的氮化合物的生成吉布斯自由能)按等级次序而存在。在对氮化合物按等级排序的示例中，反应性金属氮化物(例如，Li3N)的ΔGr,n比陶瓷氮化物(例如，AlN)的ΔGr,n更少为负(“lessnegative”)(即，更为正(“more positive”))，所述陶瓷氮化物的ΔGr,n比钎焊氮化物(例如，TiN)的ΔGr,n更少为负。以这种方式对材料进行等级排序可以减少或消除等级排序的化合物劣化的驱动力。在一些情况下，钎焊材料还包括在反应性材料(例如，反应性金属或熔盐)中显示出低互溶性并且/或者不与反应性材料反应(例如，不与反应性金属形成金属间化合物)的材料。这样的对材料的选择可以确保反应性材料(例如，反应性金属)、陶瓷和钎焊材料的热力学稳定性。在一些情况下可以基于这样的等级排序添加附加材料。例如，一个组件(例如，陶瓷)可以用具有更多合适的等级排序的特性的两个或更多个组件来替代。
镍钴铁合金、钛(Ti)、镍(Ni)、锆(Zr)和430不锈钢(430SS)可在存在熔融的锂(Li)的情况下是稳定的，例如由相图所指示的，所述相图显示出锂和镍-钴铁合金以及430SS的金属组分(例如，Fe、Ni、Cr、Co)不与Li形成金属间化合物并且它们各自至Li中(或与Li)的溶解度相对较低(例如，小于约1mol-％)。钛合金钎焊接头可以结合至铁合金，举例而言，诸如镍钴铁合金和/或430SS。在一些情况下，在升高的温度下AlN、钛合金和镍钴铁合金/430SS在存在空气的情况下都是稳定的。因此，在一个示例中，本文所描述的用于选择密封材料的方法显示出包括包含AlN的绝缘陶瓷的密封件、包含Ti合金的钎焊接头以及包含镍钴铁合金、430SS和锆中的一种或多种的套管或套环构成了合适的密封材料组。
图32是用于选择材料以形成用于高温装置的密封件的方法3200的示例。所述装置可以包括反应性材料。所述方法可以包括等级排序的生成自由能的选择过程。这样的选择过程可以提供通向具有长期稳定性的密封件的途径。这样的密封件可以包括热力学稳定的材料(例如，稳定的陶瓷、稳定(活性)的钎焊材料、可以使陶瓷还原的钎焊料)。所述方法可以包括基于每一种材料的增加或减少的生成吉布斯自由能(ΔGr)对材料集进行等级排序(3205)。在一些情况下，在吉布斯自由能比较中进行比较的材料(即，该材料组)包括与一种或多种密封材料相关联的化合物(例如，与密封材料组相关联的化合物，例如，与陶瓷材料和钎焊材料相关联的化合物，举例而言，诸如活性钎焊材料)和/或与要包含的反应性材料相关联的化合物。相关联的化合物可以按照它们的ΔGr进行等级排定(例如，Li3N作为与反应性材料Li相关联的化合物，TiN作为与活性钎焊材料Ti相关联的化合物)。在一些情况下，化合物包括共有元素(例如，Li3N、AlN和TiN中的氮)。在这样的情况下，等级排序可以基于每种材料(例如，相关联的化合物)的增加或减少的归一化的生成吉布斯自由能(ΔGr,n,其中ΔGr,n等于ΔGr除以化合物的化学式中共有元素的原子化学计量数，举例而言，诸如，对于Li3N而言ΔGr＝ΔGr,n/1而对于Ca3N2而言ΔGr＝ΔGr,n/2，其中氮被认为是共有元素)。共有元素可以能够与反应性材料形成化合物(例如，Li3N)。共有元素例如可以是氮、氧或硫(例如，化合物是氮化物、氧化物或硫化物)。如前文所述，涉及共有元素的(一种或多种)反应可以有助于所选择的等级排序的材料之间的结合(例如，AlN+Ti→TiN+Al)。
所述方法还可以包括选择等级排序的材料的子集(3210)(例如，使得所选择的材料仍然是等级排序的)。下一步，在步骤3215中，所述方法可以包括基于所选择的等级排序的材料选择密封材料集(例如，陶瓷材料和活性钎焊材料)。这在所选择的等级排序的材料提供于密封件中并且/或者暴露于反应性材料(例如，Li)时可以消除所选择的等级排序的材料劣化的驱动力，所选择的密封材料集可以包括陶瓷材料和活性钎焊材料。选择密封材料集可以包括选择一种或多种带有相关联化合物的密封材料(例如，首先是陶瓷然后是钎焊料)，所述相关联化合物具有比与反应性材料相关联的化合物更为负的ΔGr,n。所述选择(例如，所述选择的第一步骤)可以包括对陶瓷材料(例如，AlN)的选择，所述陶瓷材料是电绝缘的并且具有比与反应性材料相关联的化合物(例如，Li3N)更为负的ΔGr,n。所述选择(例如，所述选择的第二步骤)可以包括对具有相关联化合物(例如，TiN)的活性钎焊材料(例如，Ti合金)的选择，所述相关联化合物具有等于或比陶瓷材料的更为负的ΔGr,n。在一个示例中，包含于高温装置中的反应性材料包括锂(Li)。在该示例中，所选择的等级排序的材料按顺序可以是氮化锂(Li3N)、氮化铝(AlN)和氮化钛(TiN)；选择的陶瓷材料可以包含氮化铝(AlN)，而选择的活性钎焊材料可以包含钛(Ti)。在一些情况下，活性钎焊材料也基于其与反应性金属的稳定性而选择的(例如，稳定的活性钎焊材料可以具有与反应性材料和/或活性钎焊材料的低(例如，<1％、<0.1％)互溶性，而且反应性材料可以在彼此存在的情况下是稳定的并且/或者不形成金属间化合物)。在一些情况下，选择的AlN陶瓷和Ti活性钎焊材料与Li是热力学稳定的。在一些示例中，密封件可以包括在存在反应性材料的情况下热力学稳定的陶瓷材料、与反应性材料化学稳定的活性钎焊材料，并且其中活性钎焊材料与陶瓷材料发生化学反应(例如，Ti+AlN→TiN+Al)而且该反应的化合物产物(例如，TiN)在反应性材料存在的情况下是稳定的。
方法3200还可以包括选择套管或套环以接合至密封件(3220)以及/或者选择装置的容器以接合至套管或套环(3220)。如在本文别处更详细地描述，套管或套环可以包括与密封件和/或与装置的一种或多种其他材料化学相容的材料，并且容器可以包括与套管或套环以及/或者与装置或密封件的一种或多种其他材料化学相容的材料。在一些情况下，一对或多对所选择的等级排序的材料可以是CTE相匹配的。方法3200的步骤可以按不同的次序执行，或者可以省略一个或多个步骤。此外，在一些情况下方法3200可以包括(一个或多个)附加的或不同的步骤。
可以补偿CTE不匹配的结构特征
当设计密封件时可以考虑热膨胀系数(CTE)。在高温密封件的初始制造加热和钎焊过程期间，各种材料之间的热膨胀系数不匹配(CTE不匹配)可能不是主要关注点(例如，由于可能未将组件结合，这允许滑动的交界面)。在一些情况下，在冷却期间(例如，在钎焊接材料已经融化、结合和固化之后)，材料可能以不同的速率收缩(例如，绝缘体和金属套管可能暴露于较大的应力)。因此，可以添加一个或多个过渡零件。过渡零件可以具有介于绝缘体和单体顶部的CTE值中间的CTE值并且/或者可以具有弹簧状设计特征(例如，镍钴铁合金或430SS或者锆套管)。在一些情况下，过渡零件相对于绝缘体是薄的(例如，过渡零件可以具有小于绝缘体的厚度的约50％或小于约10％的厚度)。在一些情况下，钎焊材料与预期的焊接接合点是分隔开(例如，远离)的。在一些情况下，密封件包括化学稳定的材料组(例如，氮化铝陶瓷、钛合金钎焊接头和镍钴铁合金或430不锈钢套管)，并且可以是CTE相匹配的或者具有可以适应CTE差异的设计。
在一些情况下，密封件不包括在CTE方面完全匹配和/或与外壳和/或导体的CTE完全匹配的材料。在CTE方面不匹配可以通过结构特征和/或几何形状补偿，以使得密封件保持气密密封的并且/或者形成合适的电绝缘(例如，在电池的操作温度下)和/或随后的电池的一个或多个启动(例如，液态金属电极的熔化)。
在一些实现方式中，电化学单体包括导电外壳，该导电外壳包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属。在一些情况下，操作温度至少约为350℃。在一些情况下，电化学单体能够储存至少约50瓦时(Wh)的能量。液态金属可以被配置用于在电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷。电化学单体可以包括与液态金属电接触的导体，其中所述导体经导电外壳中的孔径穿过该导电外壳突出。电化学单体可以包括将导体密封至导电外壳的密封件。在一些情况下，密封件使导体与导电外壳电隔离，其中构成密封件的材料的CTE与导电外壳和/或导体不相同。密封件可以具有某一形状(即，合适的几何形状)以使得电化学单体被气密密封。
密封件、导电外壳和/或导体的材料可以具有任何量的CTE不匹配。在一些情况下，密封材料(或其一部分)的CTE与导电外壳和/或导体的CTE的差异为约1％、约5％、约10％、约15％、约20％、约25％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％、约100％、约125％、约150％、约300％、约400％、约500％、约600％或约700％。在一些情况下，密封件(或其一部分)的CTE与导电外壳和/或导体的CTE的差异为至少约1％、至少约5％、至少约10％、至少约15％、至少约20％、至少约25％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约100％、至少约125％、至少约150％、至少约300％、至少约400％、至少约500％、至少约600％或至少约700％。在一些情况下，第一密封材料(例如，金属套环)的CTE与第二密封材料(例如，电隔离陶瓷)的CTE的差异小于约1％、小于约5％、小于约10％、小于约15％、小于约20％、小于约25％、小于约30％、小于约40％、小于约50％、小于约60％、小于约70％、小于约80％、小于约90％、小于约100％、小于约125％、小于约150％、小于约300％、小于约400％、小于约500％、小于约600％或小于约700％。在一些情况下，第一密封材料(例如，金属套环)的CTE与第二密封材料(例如，电隔离陶瓷)的CTE的差异为至少约1％、至少约5％、至少约10％、至少约15％、至少约20％、至少约25％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％、至少约100％、至少约125％、至少约150％、至少约300％、至少约400％、至少约500％、至少约600％或至少约700％。
在操作温度下和/或在单体的启动(例如，从非熔融金属电极开始)期间密封件的CTE可能与导电外壳和/或导体的CTE不匹配(例如，有意地或故意地不匹配)。在一些情况下，在操作电化学单体的温度下密封件的CTE与导电外壳和/或导体的CTE的差异至少约为10％。在一些情况下，在约-10℃与操作温度之间的任何或所有温度(例如，至少约200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃或500℃)下，密封件的CTE与导电外壳和/或导体的CTE的差异为至少约1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、40％、50％、75％、100％、125％、150％或300％。
在一些情况下，密封件的几何形状包括结合至柔性金属组件的陶瓷材料。该柔性金属组件可以接合(例如，焊接或钎焊)至导电外壳和/或导体。
图10示出了可以补偿CTE不匹配的特征的示例。示例包括处于可以适应CTE不匹配(例如，通过空间顺从性)的任何配置下的翼片、切口或弯头。例如，弯头可以是正弦曲线的(水平正弦曲线的1005或垂直正弦曲线的1010)、椭圆形的或管状的1015、突转弯头1020等。该特征可以附接在单体和/或集流体的顶部的上方、下方或与其在一条线上的点处。该特征可以接合至单体外壳和/或导电馈通体，可以是单体外壳和/或导电馈通体的一部分或可以从单体外壳和/或导电馈通体切掉。该特征可以被涂覆(例如，以改善对单体的内部或外部环境的化学稳定性)。可以优化朝向、厚度和/或形状以增加稳定性和对振动和机械力所造成的故障的抗性。
低CTE不匹配的材料选择
在一些情况下，密封件的一个或多个导电组件包括导电陶瓷(例如，碳化钨)，所述导电陶瓷具有与电绝缘陶瓷相匹配的或是在电绝缘陶瓷的约1％、2％、5％、10％或20％之内的CTE。导电(CTE相配的)陶瓷可以既接合至绝缘陶瓷组件又接合至金属套环。接合过程可以涉及钎焊、扩散结合和/或焊接。导电陶瓷例如可以包括碳化钨(WC)、碳化钛(TiC)和/或其他碳化物。导电陶瓷可以与可以允许钎焊接头直接湿润该导电陶瓷的一部分(例如，按重量、原子、摩尔或体积组成计约2％-10％、至少约2％、至少约3％、至少约4％、至少约5％、至少约6％、至少约7％、至少约8％、至少约9％或至少约10％)金属(例如，Co或Ni)进行烧结。
在一些情况下，密封件的导电组件包括这样的金属，该金属具有低CTE(例如，小于约1ppm/℃、小于约2ppm/℃、小于约3ppm/℃、小于约4ppm/℃、小于约5ppm/℃、小于约6ppm/℃、小于约7ppm/℃、小于约8ppm/℃、小于约9ppm/℃、小于约10ppm/℃或小于约15ppm/℃)、低杨氏模量(例如，小于约0.1GPa、小于约0.5GPa、小于约1GPa、小于约10GPa、小于约50GPa、小于约100GPa、小于约150GPa、小于约200GPa或小于约500GPa)、高延展性(例如，极限强度大于约100％、大于约200％、大于约300％、大于约400％或大于约500％的屈服强度)或它们的任何组合。在一些情况下，材料的极限强度可以大于其屈服强度的约50％、大于其屈服强度的约100％或大于其屈服强度的约200％，以便其具有充分的延展性。在一些情况下，导电组件不包括导电陶瓷。低CTE、低杨氏模量和/或高延展性的组件特性可导致陶瓷中的低的应力集中并且降低故障的可能性。满足这些规格(除了对内部和外部单体环境的耐蚀性)的金属例如可以包括锆(Zr)、高锆含量的合金、钨(W)、钛(Ti)或钼(Mo)。
在一些实现方式中，密封件包括陶瓷、一种或多种钎焊材料和一个或多个金属套环。例如，两个金属套环可以接合至陶瓷，陶瓷的每一侧各接合一个。每个这样的金属套环还可以接合至(一个或多个)附加的金属套环。因此，可以创造出包括两个或更多个金属套环的复合金属套环。在一些示例中，复合金属套环包括至少两个金属套环，其中至少一个金属套环包括适合接合(例如，使用一种类型的钎焊料)至陶瓷的材料并且至少一个金属套环包括适于接合至密封件或单体的另一组件(例如，使用另一种类型的钎焊料)的材料。这两个金属套环也可以进行接合(例如，使用又一种类型的钎焊料)。在一些情况下，用于将密封件的金属套环彼此接合和/或接合至单体的其他部分的钎焊料的至少一部分(例如，全部)可以是相同类型的。在其他情况下，全部的钎焊料可以是不同类型的。此外，可以对一个或多个金属套环进行焊接而非钎焊，或者进行焊接和钎焊。密封件可以包括一个或多个复合金属套环。在一些示例中，密封件包括至少约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、14、16、18、20、25、30、40或更多个的单个金属套环。在一个示例中，密封件包括形成两个复合金属套环的4个单个金属套环。在一些示例中，所述单个金属套环的至少一部分可以包含相同的材料。例如，包含相同材料的金属套环可以用于将金属套环接合至相似的材料(例如，相似的单体外壳或导体材料)。
在一些情况下，密封件包括陶瓷、钎焊材料、第一(例如，薄)金属套环和/或第二金属套环。第一金属套环可以钎焊至陶瓷，而第二金属套环可以钎焊至第一金属套环。在一些情况下，第一金属套环是诸如锆(Zr)或钨(W)等低CTE材料而第二金属套环是诸如钢、不锈钢或400系列不锈钢(例如，430不锈钢)等铁合金。在一些示例中，第一金属套环为小于约10微米(μm或微米)厚、小于约20μm厚、小于约50μm厚、小于约100μm厚、小于约150μm厚、小于约250μm厚、小于约500μm厚、小于约1,000μm厚、小于约1,500μm厚或小于约2,000μm厚。
在一些情况下，密封件包括陶瓷、钎焊料、第一金属套环、第二金属套环和第三金属套环。第一金属套环可以接合至陶瓷的一部分，而第二金属套环可以接合至第一金属套环。第三金属套环可以接合至陶瓷的不同的部分，以使得第一金属套环与第三金属套环由电绝缘的陶瓷材料分隔开。在第一金属套环与陶瓷之间以及在第三金属套环与陶瓷之间的接合点可以都是密闭的。在一些情况下，密封件还包括接合至第三金属套环的第四金属套环(例如，第一金属套环接合至陶瓷的一部分，第二金属套环接合至第一金属套环，第三金属套环接合至陶瓷的另一部分而第四金属套环接合至第三金属套环)。用于将第一金属套环接合至第二金属套环的钎焊材料可以包括或类似于本文描述的任何钎焊料组成。第一金属套环或第二金属套环可以接合(例如，使用与本文所描述的任何钎焊组成类似的钎焊组成接合，或者焊接)至单体盖。第三金属套环可以接合至第四金属套环或直接接合至负电流引线(例如，使用本公开内容的任何钎焊组成进行钎焊)。
图23是包括一个陶瓷组件(例如，AlN)2305的密封件2300的示例。陶瓷组件可以是垫片。陶瓷组件可以是电绝缘的。陶瓷组件2305经由第一金属至陶瓷接合点(例如，钎焊接头)2315与第一金属套环(例如，Zr)2310接合。第一金属套环2310经由第一金属至金属接合点(例如，焊接点、钎焊接头)2325与第二金属套环(例如，430SS)2320接合。第二金属套环2320是经由第二金属至金属接合点(例如，焊接点、钎焊接头)2335与单体盖(例如，430SS)2330接合。密封件还包括经由第二金属至陶瓷接合点(例如，钎焊接头)2345接合至陶瓷组件2305的第三金属套环(例如，Zr)2340。第三金属套环2340经由第三金属至金属接合点(例如，焊接点、钎焊接头)2355与导体(例如，负电流引线)2350接合。密封件2300可以包括一个或多个间隙(例如，空气间隙)2360。
在一些情况下，如本文别处更详细地描述的，第一金属套环、第二金属套环、第三金属套环和/或第四金属套环包括用以减轻所接合的材料的CTE不匹配的结构特征。这样的配置可以通过简单的焊接(例如，TIG焊接或激光焊接)或钎焊而使得陶瓷能够机械地牢固接合至一个或多个金属套环(例如，第一金属套环或第三金属套环)以及使得一个或多个金属套环(例如，第二金属套环或者第三金属套环或第四金属套环)能够接合至单体盖或电流传导棒(本文也称为“导体”)。
钎焊的陶瓷密封件
钎焊的陶瓷密封件可以用于气密地密封并且/或者电密封包含反应性材料的系统或器皿(例如，具有液态金属的电化学单体)。图11示出了具有钎焊的陶瓷密封件的电化学单体。单体外壳1105可以具有空的顶部空间1110、熔融的负电极(例如，放电过程中为阳极)1115、熔融的正电极(例如，放电过程中为阴极)1120和安置于它们之间的熔融的电解质1125。液态金属阳极可以与导电馈通体1130相接触，所述导电馈通体1130穿过外壳并且充当负端子。导电馈通体可以通过密封件1135与外壳电隔离。液态金属阴极可以与外壳相接触，所述外壳可以充当正端子。
在一些情况下，钎焊的陶瓷密封件包括子组装件。子组装件可以包括结合至一个或多个(例如，两个)柔性的弹簧状组件(本文指的是金属套管)的绝缘陶瓷。在子组装件制造好之后，可以将套管钎焊或焊接至诸如单体盖和/或负电流引线等其他单体组件。或者，可以通过钎焊在完整的帽组装件上创造所有的接合点(例如，如果容差限度足够紧的话)。在子组装件的设计过程中可以评估钎焊材料与所述材料会暴露于的大气之间的化学相容性以及在高温操作和热循环期间的热鲁棒性。在一些情况下，陶瓷材料是氮化铝(AlN)或氮化硅(Si3N4)，而钎焊料是钛合金、掺杂钛的镍合金、锆合金或掺杂锆的镍合金。
图12示出了具有关于单体的内部1205和/或外部1210环境热力学稳定的材料的钎焊陶瓷密封件的示意图。这样的材料可以不需要涂层。各种材料可以具有不匹配的CTE，可以利用一个或多个几何特征或结构特征1215(例如，柔性金属弯头、翼片或折叠件)而适应所述不匹配的CTE。可以将适应CTE的特征1215的一端焊接至单体外壳1220(例如，400系列不锈钢)而另一端钎焊1225至陶瓷材料1235的第一金属化表面1230。陶瓷材料1235例如可以是如本文所描述的氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)或氧化钇(Y2O3)。陶瓷材料可以通过钎焊接头1245钎焊至集流体(导电馈通体)1240。钎焊接头1245例如可以包含铁(Fe)、镍(Ni)、钛(Ti)或锆(Zr)。钎焊接头1245可以与陶瓷1250(例如，钛或氮化钛)的第二金属化表面相接触。彼此相邻放置的若干层材料可以导致CTE梯度，所述CTE梯度可以使不匹配减弱。
图13示出了一种密封件，其中陶瓷和/或钎焊材料关于内部1205和外部1210环境是热力学稳定的。在一些情况下，可以向密封件或包裹体组件的外部1305和/或内部1310施加涂层。
图14、图15、图16和图17示出了钎焊的陶瓷密封件的更多示例。在一些情况下，密封件在外壳上延伸较大的距离。图14示出了单体上密封件的示例，有利的是其可能无需涂层、无需CTE不匹配的适应特征和/或提供增强的结构稳定性以抵抗在操作、制造或运输过程中的振动和机械力。在这一示例中，可以将外壳1405密封以隔开集流体1410。这一布置可以将单体的内部1415气密地密封以隔开单体的外部1420。密封件的组件可以垂直地布置并且可以包括第一钎焊接头1425、陶瓷1435、陶瓷的第一金属化表面1430、第二钎焊接头1440和陶瓷的第二金属化表面1445。
图15示出了一种密封件1520，该密封件1520可以提供结构稳定性以抵抗在操作、制造和运输过程中的振动和机械力。在这一示例中，在外壳1510与集流体1515之间安置了CTE适应特征1505。密封件1520可以包括陶瓷和与陶瓷的金属化表面相接触的两个钎焊接头。在一些情况下，在内侧1525和/或外侧1530上对密封件进行了涂覆。在一些情况下，(一个或多个)涂层可以包括氧化钇(Y2O3)。
图16示出了带有次要机械负荷承载组件1605的密封件1610。在一些情况下负荷承载组件是电绝缘的。在一些情况下，负荷承载组件不形成密闭的密封。密封件1610(例如，包括陶瓷、两个与陶瓷的金属化表面相接触的钎焊接头等)可以将单体外壳1615气密地密封以隔开集流体1620。
图17示出了次要辅助密封件1705(例如，在主要密封件1710发生故障的情况下)的示例。次要密封件可以在主要密封件发生故障的情况下落到和/或结合在主要密封件上。在一些情况下，次要密封件包括在主要密封件发生故障的情况下熔化并变为可流动的玻璃。熔化的次要密封件可以向下倾泻到发生故障的主要密封件上并且阻塞泄漏。在一些情况下，密封件1705和/或密封件1710可以是轴对称的(例如，围绕穿过单体盖中孔径的垂直轴线的环形)。
图18示出了密封件配置或子组装件(例如，具有氧化钇(Y2O3)涂层和铁基或钛基钎焊接头的氧化铝或氧化锆密封件)的另一示例。密封件可以包括套环1805。套环可以提供机械支撑。套环可以包括焊接至棒的铁素体不锈钢。密封件配置可以包括导体1810。导体可以由铁素体不锈钢(例如，具有约为12的CTE)制成。导体可以耐受一种或多种反应性材料(例如，耐受液态锂)。导体可以不太可能改变因相变而造成的机械性质或形态。导体可以具有比304不锈钢高约40％的导电性。密封件可以包括钎焊接头1815。钎焊接头可以安置在陶瓷垫圈1820的上方和下方。钎焊接头可以是铁基的。钎焊接头可以具有约12的CTE并且经得起高温(例如，850℃或更高)。陶瓷垫圈1820可以由氧化铝(例如，具有约为7的CTE)或氧化锆(例如，四方的，具有约为11的CTE)制成。氧化锆垫圈的低CTE不匹配可以在没有破裂的情况下允许更高的钎焊温度。单体外壳1825可以由铁素体钢制成并且通过陶瓷(例如，陶瓷垫圈)向套环提供机械支撑。密封件配置可以包括涂层(例如，喷涂)1830(例如，包括氧化钇(Y2O3))。涂层可以提供在单体外壳(例如，盖)上。涂层可以能够对反应性材料(例如，锂(Li)蒸气)有抗性、廉价和/或减弱陶瓷相容性。
钎焊交界面的长度(例如，水平范围)可以约为正被钎焊的最薄组件的厚度的三到六倍。如果钎焊交界面长度与厚度的比率太低(例如，小于约三)，那么密封区域在机械上可能太弱以至于不能将钎焊的接合点保持在一起。如果比率太高(例如，大于约六)，那么由于CTE不匹配而造成对套管的应力可能导致套管裂开或从陶瓷脱离。在一些情况下，钎焊交界面吸收在制造之后在高温下形成接合点然后冷却至室温而造成的套管、钎焊和陶瓷的CTE不匹配所引起的应力。
图19示出了具有等于金属套管厚度的约3至6倍的钎焊长度的子组装件的示例。金属套管(例如，镍钴铁合金、锆合金)可以具有约0.01英寸、约0.0080英寸、约0.0060英寸、约0.0030英寸或约0.0015英寸的厚度。子组装件可以包括钎焊接头1905、一个或多个(例如，镍钴铁合金或不锈钢)套管(例如，1910和1915)和绝缘体1920。
图20示出了可以适应CTE不匹配的子组装件的形状的示例。子组装件(即，密封件)可以具有套管(例如，镍钴铁合金套管)2005和绝缘体(例如，陶瓷)2010。压缩力可以作用在指示箭头2015的方向上。陶瓷材料可以能够经得起高水平的压缩。在一些情况下，密封件设计可以利用陶瓷的这一特性以提供可靠的密封。为了生产压缩密封件，密封件的外部材料可以具有比密封件的内部材料更高的CTE值。在加工和制造过程中，可以加热子组装件，从而促使材料膨胀。在达到钎焊熔化温度之后，可以形成钎焊接合点，并且在冷却时CTE更高的材料可以以比内部材料更高的速率收缩以创建压缩密封件。由于高温钎焊操作和随后的冷却，套管(例如，镍钴铁合金或不锈钢套管)可以向密封的结合交界面(例如，镍钴铁合金或不锈钢/绝缘体交界面)施加压缩力，这是由于中心的绝缘体收缩更小。图20中的示例利用Ti合金钎焊来形成密封接合点，并且利用在冷却过程中形成的压缩力2015以将套管2005(例如，镍钴铁合金套管)压到绝缘体(例如，陶瓷)2010上，从而提供稳定且牢固的密封。图20中的密封件是圆周密封件的示例。
图21是包括多个陶瓷组件的密封件2100的示例。陶瓷组件可以是垫圈。陶瓷组件可以电绝缘的。密封件可以使导体(例如，负电流引线)2120与单体外壳(例如，单体盖)2125电隔离(例如，通过密闭的密封)。图21中的密封件是堆叠型密封件设计的示例。在这一密封件设计中，三个单独的陶瓷组件(例如，AlN)2105a、2105b和2105c垂直地定位于彼此之上。陶瓷组件(例如，绝缘体)安置在一个或多个金属套管或套环2110、2115和2130(例如，锆金属、锆合金或形成柔性接合点的镍钴铁合金)之间。在一些情况下，可以不使用套环2130并且可以将套环2115直接接合至单体外壳2125。陶瓷2105b可以提供密封。陶瓷组件2105a和2105c可以为密封件提供应力和/或支撑。陶瓷组件2105a和2105c可以提供密封或者可以不提供密封。在一些情况下，陶瓷组件2105a和2105c可能破裂(例如，破裂和脱落)。在这样的情况下，可能不影响由中心(在该情况下为中间)陶瓷组件所提供的密封件。
陶瓷组件2105b经由第一金属至陶瓷接合点(例如，钎焊接头)2135与第一金属套环(例如，Zr)2115接合。第一金属套环2115还可以经由第四金属至陶瓷接合点2170接合至陶瓷组件2105a。在一些情况下，第一金属至陶瓷接合点2135和第四金属至陶瓷接合点2170是相同类型的接合点(例如，包含相同的钎焊材料)。第一金属套环2115经由第一金属至金属接合点(例如，焊接点、钎焊接头)2140与第二金属套环2130接合。第二金属套环2130经由第二金属至金属接合点(例如，焊接点、钎焊接头)2145与单体盖(例如，430SS)2125接合。密封件还包括经由第二金属至陶瓷接合点(例如，钎焊接头)2150接合至陶瓷组件2105b的第三金属套环(例如，Zr)2110。第三金属套环2110还可以经由第三金属至陶瓷接合点(例如，钎焊接头)2165接合至陶瓷组件2105c。在一些情况下，第二金属至陶瓷接合点(例如，钎焊接头)2150和第三金属至陶瓷接合点2165是相同类型的接合点(例如，包含相同的钎焊材料)。第三金属套环2110经由第三金属至金属接合点(例如，焊接点、钎焊接头)2155与导体(例如，负电流引线)2120接合。密封件2100可以包括一个或多个间隙(例如，空气间隙)2160。
在一些情况下，密封是由中心陶瓷(例如，图21中的中间陶瓷2105b)提供的，所述中心陶瓷在呈堆叠样式的陶瓷的平行面的相对侧(例如，沿着图21中的交界面/接合点2150和2135)上接合至金属套环(例如，图21中的金属套环2110和2115)。在该设计中包括两个附加的陶瓷组件(例如，图21中的顶部陶瓷2105a和底部陶瓷2105c)并且它们接合在每个金属套环的与结合至中心陶瓷的面相对的(例如，沿着图21中的钎焊交界面/接合点2170和2165)面上。具有三个陶瓷组件的堆叠配置可以在金属套环的任一侧上创造对称的钎焊长度。在金属套环的任一侧上包括对称的钎焊长度的钎焊接合点可以在所述金属套环上创造对称的力。这可以增强钎焊接合点的总体强度(例如，通过使应力集中最小化并且使金属受到拉伸且陶瓷组件受到压缩)。在一些情况下，将包括结合至平整金属表面的平整陶瓷表面的接合点视为是面密封。
不同的应用可能受益于不同的密封件设计。圆周(例如，圆锥形)的密封件设计(例如，参见图20)可以用单一陶瓷组件提供牢固的密封件设计。陶瓷上成角度的圆周表面可以使得能够更简单的装配(例如，部件可以遵从恰当的配置而不需要带有紧容差的夹具或不需要在钎焊之前仔细的装配)。在一些情况下，圆周设计可以能够经得起金属套环与陶瓷之间的较大的CTE不匹配，这是因为在从钎焊温度冷却后金属施加到陶瓷上的主要力可能是径向对称的压缩力(例如，由于陶瓷通常在受压上比在拉伸上更强)。基于对陶瓷的顶部和底部上的平整平行表面的较简单的机加工，而不是将陶瓷的外直径机加工和/或将陶瓷的侧面机加工成如圆周密封件可能需要的那样的特定的锥角(例如，相对于垂直朝向约为、小于约或至少约为5、10、15、20、25、30、35、40、50或75度的锥角)，堆叠的密封件设计(例如，参见图21或图23，图23可以被认为是仅具有一个陶瓷的堆叠设计的特例)可以允许组件成本较低。堆叠的设计还可以使得能够实现具有较低密封件高度的设计(例如，这是因为密封交界面垂直于所述设计的高度)。本公开内容的密封件(例如，图20、图21和图23中的密封件)可以是轴对称的，以便辅助平衡密封件上的力。在一些配置中，堆叠的配置可以包含1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、12个、14个、16个、18个、20个或更多个陶瓷组件。陶瓷组件的数目可以被配置用于平衡给定密封件配置中的力。在一些情况下，陶瓷组件可以对称地分布在中心(例如，中间)陶瓷组件的两侧上。在一些情况下，陶瓷组件可以非对称地分布在中心(例如，中间)陶瓷组件的两侧上。在一些情况下，陶瓷组件可以以任何配置分布在提供密封的一个或多个陶瓷组件周围(例如，在其两侧上)。此外，可以选择陶瓷组件和/或金属套环的厚度来平衡给定密封件配置中的力。例如，接合或结合至陶瓷的金属套环(例如，第一金属套环或第三金属套环)可以具有第一厚度，仅接合或结合至其他金属套环的金属套环(例如，在复合金属套环中)可以具有第二厚度，而接合或结合至导体、单体外壳盖和/或外壳的其他部分的金属套环可以具有第三厚度(例如，如果该金属套环也直接接合到陶瓷，则第三厚度可以等于第一厚度)。
可以在套管或柔性接合点的任一侧上(例如，如图21中所示的平衡的密封件)或仅在该接合点的一侧上(例如，图23中所示的不平衡的密封件)提供钎焊。对每个金属套管的任一侧上进行钎焊可以平衡密封交界面所经受的力。平衡的密封件设计的优点可能是在系统的冷却期间施加至陶瓷的力可能是有限的并且存在最小的扭矩。这样的配置可以使套管(例如，镍钴铁合金套管)受到拉伸而陶瓷受到压缩。在一个示例中，密封件的平衡可以使得应力(例如，在制造后的冷却过程期间所产生的应力)能够小于陶瓷的抗拉强度。在另一示例中，密封件的平衡可以使得应变(例如，在制造后的冷却过程期间所产生的应变)能够小于陶瓷的应变强度(例如，陶瓷在破裂之前可以经得起的最大应变)。陶瓷可以具有给定的强度。在一些示例中，陶瓷材料(举例而言，诸如AlN、BN、Al2O3、La2O3、Y2O3、MgO、SiC、TiC或Si3N4)的强度值(例如，抗拉强度、极限强度、屈服强度)可以大于约10兆帕斯卡(MPa)、50MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、300MPa、350MPa、400MPa、450MPa、500MPa、550MPa、600MPa、650MPa、700MPa、750MPa、800MPa、900MPa、1,000MPa、1,500MPa、2,000MPa、3,000MPa或5,000MPa。
图22通过提供来自计算模型的结果的图像示出了密封件上的力的示例，所述计算模型针对密封件预测在制造后的冷却过程期间由于CTE不匹配所产生的应力和应变(在不包含塑性变形的情况下)。所述模型示出了对于涉及850℃下将陶瓷和金属组件在接触交界面处接合在一起并且将系统冷却至25℃的过程而言使用线性弹性模型所生成的冯·米塞斯(von Mises)应力分布(例如，基于在三个空间维度上所施加的力的计算出的应力分布，所述应力分布提供了对应力引起的机械故障的可能性的深入理解，例如，如果计算出的冯·米塞斯应力超过材料的强度，那么材料被预测为出故障)。在图22中左边的示例图像中，密封件仅包括一个陶瓷绝缘体(例如，如图23中所示)。在图22中右边的示例图像中，密封件包括三个陶瓷绝缘体(例如，如图21中所示)。如这些示例中所示，图22中左边的单一陶瓷密封件可以比图22中右边的三个陶瓷密封件经历更大的冯·米塞斯应力和/或应变。图22中的阴影表示不同水平的冯·米塞斯应力，其中，如在应力增加的方向上的箭头2205所指示，在刻度上白色为零应力而黑色为最大应力。
在冷却子组装件时，应力可能积聚，从而导致立即发生故障或者在密封件与单体顶部组装件的其余组件接合时发生故障。由于镍钴铁合金可以在425℃左右经历相变(例如，如由图7和图8中作为温度的函数的CTE的突变所表明的)，它可以保持较高的应力水平除非在该温度以下退火。在一些情况下，镍钴铁合金的退火通过在850℃下30分钟的浸泡来完成，这最终可以在子组装件中产生高应力。较高温度的钎焊材料可以使用430不锈钢套管，这是因为它们在相变后不经历导致形状或性质变化的晶粒生长，所述晶粒生长可能在装置的(例如，液态金属电池的)操作温度下在很长的时间段内发生。
图24示出了单体帽组装件的分解图，所述单体帽组装件具有单体顶部2405、子组装件2410和导体2415。单体顶部可以具有任何合适的几何形状(例如，只要它与单体本体相接并且允许这样的特征，举例而言，所述特征诸如为气体管理(如果必要的话)和用于子组装件所焊接至的孔洞)。例如，单体顶部可以包括用于导体/子组装件的第一孔径和用于气体管理连接的第二孔径。每个孔径可以用本公开内容的密封件密封。在一些情况下，导体具有低CTE(例如，使部件不短路或使陶瓷破裂或者发生故障)。
图25、图26和图27示出了密封件的各种特征的示例。图25中的密封件利用诸如钼、钨、630SS或430SS 2505等耐蚀性金属(例如，具有小于约4ppm/℃或小于约10ppm/℃的低CTE)和陶瓷2510(例如，氮化铝(AlN))。密封件包括CTE匹配的组件2515(例如，在约5.5ppm/℃)以允许减少的或最小的应力积聚(例如，在金属2505与陶瓷2510之间)。CTE匹配的组件2515例如可以包括钼或者钨和/或钼的合金。实施例1中提供了这样的材料的示例。密封件具有用于机械负荷的牢固的设计并且耐电桥短路。密封件具有低轮廓设计2520(例如，约0.25英寸)，并且可以以商业上可扩展的方式2525(例如，通过激光或在子组装件钎焊期间)焊接或钎焊。
在图26中，将密封件的部件浸入单体中以使得密封件不向上延伸超出单体盖的表面。密封件可以包括气体管理端口和代替钼的镍钴铁合金。转动的金属套环2605可以减少或消除对碎片的捕捉。在一些情况下，内径钎焊接头(例如，在镍钴铁合金与氮化铝(AlN)之间)2610可能导致不期望的应力量。
图27中示出的单体可以通过真空钎焊过程密封。密封件可以进入单体顶部下面约3/8英寸，伴随着约0.05英寸的延伸部在单体顶部之上。当与图26中的单体相比时单体可以具有增加的结构能力。所述设计可以允许在钎焊之后添加中心销，从而允许在装配过程中更多的控制和灵活性。在一些情况下，金属零件之间较小的间隙可能通过对陶瓷2705的润湿而导致短路。
在一些实现方式中，密封件、子组装件、导体和/或外壳可以包括结构特征(例如，配合特征)或者可以与结构构件(举例而言，诸如法兰、挂钩、壁架、互锁特征、可焊接的耳片、可钎焊的耳片、滑入配合、螺钉配合、螺钉、螺母、螺栓和/或其他结构构件)相组合以促进本文的密封布置的安全连接。在一些情况下，这样的配合特征可以与焊接、钎焊、涂层、金属化表面、针对CTE不匹配的结构特征等配合使用。此外，密封件、子组装件、导体和/或外壳可以包括用以促进单体与单体组之间的互连的结构特征。在一些情况下，这样的特征可以针对减少或最小化由于互连而作用于密封件上的应力和力。此外，本文的密封件可以被配置用于与各种互连特征(例如，电流传输板)配合使用。在这样的情况下，密封件的配置例如可以包括材料考虑因素(例如，密封件的材料相容性以及互连)、期望的系统电阻(例如，影响具有给定电阻的密封件的选择)、空间和操作条件考虑因素(例如，影响与空间约束相容的密封件的选择，所述空间约束是由给定的互连布置和/或操作条件强加的)等等。
互连
可以在单个电化学单体之间和/或在电化学单体组(例如，模块、封装包、芯体、CE、系统或包括一个或多个电化学单体的任何其他组)之间形成有线或无线(例如，直接金属至金属)的互连。在一些情况下，单体组可以经由一个或多个单体至单体的互连而接合。在一些情况下，单体的组可以经由组级别的互连而接合。组级别的互连还可以包括一个或多个与所述组的一个或多个单个单体的互连。互连可以是结构的和/或电的。单体和/或单体组可以水平地或垂直地装配(或堆叠)。这样装配的单体和/或单体组可以以串联配置或并联配置进行布置。此外，单体组可以由各种框架支撑。框架可以提供结构支撑并且/或者参与或帮助形成互连(例如，单体组上的框架可以配合或连接)。
在一些实现方式中，互连可以被配置用于减少系统(例如，电池)中的电阻(例如，内部电阻)。在一些情况下具有低系统电阻的电池(例如，使得电池能够有效地储存能量并且递送功率)可能是期望的。系统电阻可以由沿着诸如在电化学单体之间、在电化学单体内和在电化学单体组之间等的电流流动路径的多个电阻的联合作用决定。在一些情况下，电化学单体或其组使用互连体进行连接。在一些情况下，互连体是导线。然而，最短的可能的电连接通常可以导致最低的系统电阻。因此，本公开内容描述了单体的彼此直接连接(例如，通过钎焊)，这在一些情况下减少或摒弃了使用导线来连接电化学单体。
在一些实现方式中，电池包括多个串联连接的电化学单体，其中电池能够储存至少约10kWh的能量，电池具有至少约250℃的操作温度，并且每个电化学单体具有至少一个液态金属电极。电池可以是任何合适的大小。在其他情况下，电池能够储存至少约10千瓦时的能量。在其他情况下，电池能够储存至少约30千瓦时的能量。在其他情况下，电池能够储存至少约100千瓦时的能量。
电池的内部电阻可以是任何适当的低电阻。在一些情况下，电池的内部电阻(例如，在操作温度下)为约2.5*n*R，其中“n”是电池的串联连接的模块的数目，而“R”(本文也称为“R模块”)是每一单个模块或并联连接的模块的电阻。在一些示例中，R的倒数是给定模块中每个电化学单体的电阻的倒数的总和，例如由给出，其中“m”是一个模块中单体的数目。每个模块可以包括处于并联配置的多个电化学单体。相邻模块中的电化学单体可以按串联配置布置(例如，模块中的单个单体可以与相邻模块中对应的单个单体串联连接，举例而言，诸如按其中第一模块的单个单体与位于第一模块上方的第二模块的单个单体串联连接的配置)。在一些情况下，电池的内部电阻(例如，在操作温度下)为约2*n*R、约1.5*n*R、约1.25*n*R或约1.05*n*R。在一些情况下，电池的内部电阻(例如，在操作温度下)为小于约2.5*n*R、小于约2*n*R、小于约1.5*n*R、小于约1.25*n*R或小于约1.05*n*R。在一些情况下，系统总电阻(例如，在操作温度下)由于互连体、母线、连接交界面处的表面接触电阻等的电阻贡献的原因而大于约1.0*n*R。电池可以包括串联和并联连接的电化学单体。串联连接的电化学单体模块(或并联连接的模块)的数目(即，n)可以是任何合适的数目。在一些示例中，n为至少3、至少5、至少6、至少10、至少12、至少15、至少16、至少20、至少32、至少48、至少54、至少64、至少108、至少128、至少216或至少256。在一个示例中，n为3(例如，对于包括封装包的电池)、6(例如，对于包括封装包的电池)或216(例如，对于包括芯体的电池)。
在单个电化学单体之间和/或在电化学单体组之间的有线或无线的(例如，直接金属至金属)互连可以具有给定的内部电阻。在一些情况下，电化学单体不用导线连接。在一些示例中，串联连接(例如，无线的单体至单体连接或电流传输板连接)是用在大于250℃的操作温度下具有约0.05毫欧姆(mOhm)、约0.1mOhm、0.5mOhm、约1mOhm、约2mOhm、约5mOhm、约10mOhm、约50mOhm、约100mOhm或约500mOhm的内部电阻的连接创建的。在一些示例中，串联连接是用在大于250℃的操作温度下具有小于约0.05mOhm、小于约0.1mOhm、小于约0.5mOhm、小于约1mOhm、小于约2mOhm、小于约5mOhm、小于约10mOhm、小于约50mOhm、小于约100mOhm或小于约500mOhm的内部电阻的连接创建的。在一些情况下，电阻通过第一电化学单体的导体与第二单体的导电外壳之间的直接电连接来测量。在一些情况下，一个或多个母线和/或互连体可以用于在任何两个单体组之间创建连接。在一些示例中，这样的连接具有约0.01mOhm、约0.05mOhm、约0.1mOhm、约0.2mOhm、约0.5mOhm、约1mOhm、约5mOhm、约10mOhm、约50mOhm或约100mOhm的内部电阻。在一些示例中，这样的连接具有小于约0.01mOhm、小于约0.05mOhm、小于约0.1mOhm、小于约0.2mOhm、小于约0.5mOhm、小于约1mOhm、小于约5mOhm、小于约10mOhm、小于约50mOhm或小于约100mOhm的内部电阻。在一些情况下，根据以下公式，电阻通过在电流流过母线(和/或互连体)时跨该母线的电压降而测量：R母线＝V/I，其中“R母线”是母线(和/或互连体)的电阻，“V”是测量的跨母线(和/或互连体)的电压降，而“I”是流过母线(和/或互连体)的电流。本公开内容关于单体至单体连接的内部电阻所描述的任何方面至少在一些配置下可以同样适用于在单体组之间的连接，且反之亦然。此外，本公开内容关于串联连接的内部电阻所描述的任何方面至少在一些配置下可以同样适用于并联连接，且反之亦然。
在一些实现方式中，电化学储能系统至少包括与第二电化学单体相邻的第一电化学单体。第一电化学单体和第二电化学单体中的每一个可以包括负集流体、负电极、电解质、正电极和正集流体。负电极、电解质和正电极中的至少一个可以在第一电化学单体或第二电化学单体的操作温度下处于液态。第一电化学单体的正集流体可以直接金属至金属接合(例如，钎焊或焊接)至第二电化学单体的负集流体。在一些示例中，负集流体包括负电流引线。
在一些情况下，第一电化学单体和第二电化学单体不通过导线连接。在一些情况下，电化学储能系统包括用于每2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30或更多个电化学单体的一个或较少的互连体。在一些情况下，电化学储能系统(例如，电池)包括用于至少每1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、40、50、75、100、150、200或更多个电化学单体的一个互连体。
图28示出了包括3个模块2805的单体封装包2800的示例。每个模块包括12个并联连接2810的单体2830。用单体封装包定框(本文也称“框架”)2815将模块保持就位，所述单体封装包定框2815包括框架2820的顶部组件。将单体直接堆叠在彼此之上，伴随着一个单体2825的负电流端子直接与另一单体(例如，其上方的单体)的外壳接触。由于顶层的单体的负电流端子会没有另一单体的外壳直接在其上方，因此反而可以接触(例如，钎焊至)负母线2835。
在一些配置中，模块中所形成的并联连接2810可以使用具有多个单体材料的袋的单一零件(或组件)创建。这一零件可以是允许单体之间的直接电连接的冲压组件。在一些示例中，冲压的有袋的导电外壳不在单体之间创建屏障。在一些情况下，有袋的导电外壳使袋与彼此密封。这一导电外壳可以比单个导电单体外壳更容易制造和装配。在一些配置下，模块中所形成的并联连接2810可以通过模块中的单体的外壳的直接接触而创建。
当垂直地堆叠时，电化学单体承受堆叠于上方的单体的重量。单体可以被构造用于支撑这一重量。在一些情况下，单体至单体间隔物640放置在单体层之间。这些间隔物可以分散上方单体的重量并且/或者减轻施加至负电流端子的一些重量。在一些情况下，用密封件将负电流端子与外壳电隔离。由于这一密封件可能是电化学单体的最弱的结构组件，因此间隔物可以使施加至密封件的力的大小减少。
在一些实现方式中，液态金属电池包括多个电化学单体，每个电化学单体均包括导电外壳和与集流体电连通的导体。导电外壳可以包括在单体的操作温度下为液态的负电极、电解质和正电极。导体可以经导电外壳中的孔径穿过导电外壳突出，并且可以利用密封件而与导电外壳电隔离。多个电化学单体可以串联堆叠，伴随着第一单体的导体与第二单体的导电外壳电接触。液态金属电池还可以包括安置在电化学单体之间的多个非气态间隔物。在一些情况下，电化学单体是垂直地堆叠的。例如，至少2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、36、40、48、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200、216、250、256、300、350、400、450、500、750、1000、1500、2000或更多个电化学单体可以串联堆叠。在一些情况下，电池还包括与串联堆叠的多个电化学单体中的每一个并联连接的至少一个附加电化学单体。例如，每个垂直堆叠的单体可以与至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、16、20、25、30、40、50、60、70、80、90、100、120、140、160、180、200、250、300、350、400、450、500、750、1000、1500、2000或更多个附加电化学单体并联连接。在一些情况下，导电外壳是电流传导通路的一部分。
非气态间隔物(本文也称为“间隔物”)可以是固体材料。在一些情况下，间隔物包括陶瓷材料。陶瓷材料的非限制性示例包括氮化铝(AlN)、氮化硼(BN)、氧化钇(Y2O3)、氧化锆(ZrO2)、氧化钇部分稳定的氧化锆(YPSZ)、氧化铝(Al2O3)、硫属化物、氧化铒(Er2O3)、二氧化硅(SiO2)、石英、玻璃或它们的任何组合。在一些情况下，间隔物是电绝缘的。
间隔物可以具有任何合适的厚度。在一些情况下，间隔物的厚度近似地等于导体突出导电外壳之外的距离(例如，间隔物的厚度可以处于导体突出导电外壳之外的距离的约0.005％、约0.01％、约0.05％、0.1％或0.5％以内)。
大部分的力(例如，垂直地堆叠在单体上方的电化学单体的重量)一般是由间隔物和/或外壳而非密封件来承受。非气态间隔物和/或导电外壳可以支撑所施加的力的任何适当高的百分比。在一些情况下，约70％、约80％、约90％或约95％的力施加于非气态间隔物和/或导电外壳。在一些情况下，至少约70％、至少约80％、至少约90％、或至少约95％的力施加于非气态间隔物和/或导电外壳。
可以有任何合适量的力施加于导电外壳和/或密封件。在一些情况下，施加于密封件的力不超过该密封件可以支撑的力。在一些情况下，施加于密封件的力为约10、约15、约20、约25、约30、约35、约40、约45、约50、约60、约70、约80、约100、约120、约150或约200牛顿。在一些情况中，施加于密封件的力小于约10、小于约15、小于约20、小于约25、小于约30、小于约35、小于约40、小于约45、小于约50、小于约60、小于约70、小于约80、小于约100、小于约120、小于约150或小于约200牛顿。在一些情况下，施加于外壳的力为约100、约500、约1000、约5000或约10000牛顿。在一些情况下，施加于外壳的力为至少约100、至少约500、至少约1000、至少约5000或至少约10000牛顿。
可以有任何合适量的压力施加于导电外壳和/或密封件。在一些情况下，施加于密封件的压力不超过该密封件可以支撑的力。在一些情况下，施加于密封件的压力为约1、约10、约50、约100、约200、约300或约500磅每平方英寸(psi)。在一些情况下，施加于密封件的压力小于约1、小于约10、小于约50、小于约100、小于约200、小于约300或小于约500磅每平方英寸(psi)。在一些情况下，施加于外壳的压力为约500、约1000、约2000、约2500、约3000、约5000或约10000磅每平方英寸(psi)。在一些情况下，施加于外壳的压力为至少约500、至少约1000、至少约2000、至少约2500、至少约3000、至少约5000或至少约10000磅每平方英寸(psi)。
可以基于容差和最佳导电路径用各种方式配置单体至单体连接。在一个配置中，一个单体中的负电流引线的顶面可以直接金属至金属接合(例如，钎焊、焊接)至在其上方的单体的底部(例如参见图29)。其他配置例如可以包括备选的直接金属至金属接合的(例如，备选的钎焊接合的)配置，诸如通过内部棒和外部夹具的热膨胀系数(CTE)的差异所增强的外径钎焊接头(例如参见图30)。
在一些情况下，如图29中所示，将第一单体2910的导体2905钎焊至第二单体2925的导电外壳2920。钎焊材料可以是任何合适的材料。钎焊材料的一些非限制性示例包括包含铁(Fe)、镍(Ni)、钛(Ti)、铬(Cr)、锆(Zr)、磷(P)、硼(B)、碳(C)、硅(Si)或它们的任何组合的材料。单体可以包括连接至集流体和导体2905的阴极2930、电解质2935和阳极2940。导体可以通过单体盖2950馈入。在一些情况下，单体具有某种空的顶部空间2945。
在一些实现方式中，导体2905可以穿过单体盖2950中的密封件2960馈入。导体(例如，负电流引线)2905可以是刚性的。密封件2960可以不是刚性的。由于在装配期间添加了附加的单体，增加的重量可以通过顶部单体2925的外壳2920施加于底部单体2910的导体上(例如，在位置2915处)。在一些情况下，如果由于压缩力密封件2960(伴随着导体2905和阳极2940)向下移动到单体2910中，那么单体2910与2925之间的垂直间隔可能减小。为确保模块彼此电隔离，间隔物(例如，陶瓷)2955可以跨单体的表面放置以支撑它们上方的单体。在这一配置下，单体外壳可以用作系统的主要结构支撑。陶瓷间隔物2955可以使密封件2960从不得不支撑顶部单体2925(和在装配期间所添加的任何附加的单体)的重量中释放。在一些配置中，在间隔物2955的顶部与顶部单体2925的外壳2920的底部之间最初可以有间隙(例如，间隔物的厚度可以稍微小于导体最初穿过导电外壳突出的距离)，并且在装配过程中由于添加了附加的(一个或多个)单体因此间隔物(例如，陶瓷)能够受到压缩(例如，由于底部单体2910的外壳的顶部与顶部单体2925的外壳的底部之间的间隔减小)。结果，在一些情况下阳极与阴极之间的位移(本文也称为“阳极-阴极位移”)(例如，单体2910中的阳极2940与阴极2930之间的装配后的最终位移)可以由非气态间隔物确定。在一些配置中，间隔物可能立刻受到压缩(例如，如果间隔物的厚度稍微大于导体穿过导电外壳最初突出的距离的话)。
在一些情况下，热膨胀系数(CTE)的差异可以用于连接两个单体。如图30中所示，第一单体3005的导体位于第二单体3010的导电外壳的凹陷部分中，并且导体3015的热膨胀系数(CTE)大于导电外壳3020的CTE。
导体的CTE可以比导电外壳的CTE大任何的量。在一些情况下，导体的CTE比导电外壳的CTE大约2％、约5％、约10％、约15％、约20％、约30％、约40％、约50％、约60％、约70％、约80％、约90％或约100％。在一些情况下，导体的CTE比导电外壳的CTE大至少约2％、至少约5％、至少约10％、至少约15％、至少约20％、至少约30％、至少约40％、至少约50％、至少约60％、至少约70％、至少约80％、至少约90％或至少约100％。
垂直地串联堆叠的单体可以通过直接电连接或硬电连接来附接，以使得从2950到2940的高度和/或阳极-阴极位移(ACD)可以由2955的尺寸容差确定。在一些示例中，从2950到2940的高度可以为至少约3毫米(mm)、至少约5mm、至少约7mm、至少约10mm、至少约15mm等。在一些示例中，ACD可以为约3mm、约5mm、约7mm、约10mm、约15mm或更大。图29是可以如何配置这样的连接的示例。
可以使用直接(例如，金属至金属)电连接对垂直地串联堆叠的单体进行连接，以使得每个单体连接的电阻降低，例如，在约100兆欧姆(或本文别处所描述的另一内部电阻值)以下。图29是这样的连接可以如何配置的示例。图29还提供CTE不匹配的密封件连接的示例。
在一些实现方式中，可以通过电流传输板的方式将单体垂直地接合，所述电流传输板可以连接(例如，焊接)至底部单体上的负电流引线或导体以及顶部单体上的单体本体(例如，导电外壳)。负电流引线可以通过密封件，穿过底部单体的外壳突出。例如，多个单体可以并联连接到单体模块或部分单体模块中，继而经由垂直堆叠与其他单体模块或部分单体模块串联连接。可以通过将来自一个单体的电流传输板连接到其上的单体的单体本体或单体本体上的特征来实现垂直堆叠(例如，以形成单体封装包的基础)。电流传输板可以由导电材料形成，诸如本文所描述的任何导电材料。电流传输板可以包括一个或多个表面(例如，平整表面)，所述表面可以与另一表面(例如，相邻单体的单体主体或单体主体上的特征)焊接或以其他方式直接金属至金属接合。电流传输板可以从负电流引线朝着包括负电流引线的单体表面的周边延伸。这样的配置可以使得在单体之间或单体组装件中的密集空间内能够更方便地进行电连接(例如，在单体的垂直堆叠过程中更方便接近)。
电流传输板可以与应变减轻功能结合或包括应变减轻功能以减少密封件(例如，负电流引线周围的密封件)上的应力和/或在单体和/或封装包垂直地堆叠在彼此之上时所产生的应力，所述对密封件的应力可能由焊接/接合过程以及/或者在加热和/或冷却期间热膨胀差异而产生。在一些情况下，密封件上的应力可以通过包括电绝缘非气态(例如，陶瓷)间隔物而减少。非气态间隔物可以支撑来自电流传输板和/或堆叠到电流传输板上的单体的重量并且将该重量引导到外壳(例如，单体帽)上，从而减少通过密封件传递的那部分施加的重量。在一些情况下，应变减轻功能可以包括螺旋图样(例如，单一螺旋臂或多个螺旋臂)或电流传输板上的其他特征以便使电流传输板有顺从性，并且可以减少在单体堆叠在彼此之上时或在加热期间由于CTE不匹配引起的密封件所经受的应力。螺旋图样可以包括一个或多个螺旋臂。螺旋臂例如可以是约0.5mm厚、约1mm厚、约2mm厚或约4mm厚。螺旋臂可以具有圆形或椭圆形的外部形状的螺旋，所述外部形状的直径为约1cm、约2cm、约3cm或约4cm或更大。在一些情况下，电流传输板可以是足够顺从性的而不需要应变减轻特征。
可以按各种配置对单体封装包进行串联和并联地附接以生产芯体、CE或系统。可以选择各种电化学单体组的数目和布置以用于创造期望的系统电压和储能容量。封装包、芯体、CE或系统继而可以在高温绝缘下封闭在一起以创造这样的系统，该系统可以使用由单体充电和放电所创造的能量来对自身进行加热。例如，图31是封装包可以如何配置的示例，表明了给定平面中的单体封装包彼此并联连接3105，同时在彼此顶上直接连接的封装包是串联连接的3110。
封装包自身可以通过母线彼此垂直地和水平地连接(例如，不同于在封装包内的单体至单体连接，所述单体至单体连接一般可以是诸如钎焊或焊接等直接连接)。在一些情况下，母线是柔性的或者包括柔性部分(例如，用以适应在整个受热和操作中系统的非等温膨胀)。
母线可以用于与采用并联串的形式的单体形成电连接(例如，一并联串的单体，一并联串的封装包等)。在一些示例中，母线可以用于通过与所有的单体或单体模块上的相同端子电连接(例如，所有的单体或单体模块的负端子或所有的单体或单体模块的正端子)而将单体集或单体模块集配置成并联串配置。例如，可以使用正母线和/或负母线。正母线可以连接至外壳并且可能需要或可能无需是柔性的。在一些情况下，可以不使用正母线。负母线可以接合至一个或多个单体本体(例如，封装包中的单个单体的单体本体)中(或上)的特征以提供强的电连接。在一些情况下，负母线可以附接至导电馈通体(例如，负电流引线)，该导电馈通体可能需要一些对于热膨胀的顺从性。例如，可以使用馈通体与母线之间的顺从性特征来实现相对刚性的母线核心与馈通体之间的柔性连接。顺从性特征可以涉及螺旋图样(spiral pattern)(例如，单个螺旋臂或多个螺旋臂)，所述螺旋图样可以通过以期望图样从扁平母线切掉和/或移除材料而创建。螺旋图样可以涉及一个或多个螺旋臂。螺旋臂例如可以为约0.5mm厚、约1mm厚、约2mm厚或约4mm厚。螺旋臂可以创造具有圆形或椭圆形的外部形状的螺旋，所述外部形状的直径是约1cm、约2cm、约3cm或约4cm或更大。在一些情况下，母线可以足够顺从以使得无需顺从性特征。
可以使用一个或多个互连体将一个封装包的母线连接至另一个单体封装包的母线，从而并联或串联地放置单体封装包。在一些情况下，使用顺从互连组件(本文也称为“互连体”)将一个单体封装包的负母线连接至另一个单体封装包的正母线。在一些情况下，互连体可以是编织状的金属或金属合金。在一些情况下，互连体可以由金属片制成并且采取弯曲板的形式，所述弯曲板为约1/32英寸厚、约1/16英寸厚、约1/8英寸厚或约1/4英寸厚。在一些情况下，互连体可以包含与母线相同的导电材料。在一些情况下，正母线和互连体是同一组件。
母线和/或互连体组件可以包含导电材料。例如，母线和/或互连体组件可以包含(例如，由其制成)不锈钢、镍、铜、铝铜基合金和它们的任何组合。
封装包还可以包括或形成其他互连(例如，用以允许封装包与附加的封装包互连)，包括但不限于附加的互连体、附加的母线和/或附加的连接交界面。在一些实现方式中，母线可以用于提供封装包级的电连接/互连(例如，仅母线可以用于封装包级的电连接/互连)。
在单体垂直地堆叠在彼此顶上的配置中，单体堆叠(例如，单体封装包堆叠)的顶部处的母线可以仅包括负母线(例如，由于该堆叠的正端子可以在该堆叠中的底部单体上)。
热绝缘和/或框架可以被设计用于允许冷却芯体(和/或本文公开的任何系统)、移除绝缘、从芯体断连和移除单个封装包或封装包集以允许将单一封装包断连、移除和替换或者它们的任何组合。继而可以将芯体再装配并且加热回到操作温度以允许恢复操作。
本文关于单个单体或给定的单体组所描述的各种互连配置至少在一些配置中可以同样适用于其他单体组(或其部分)。在一个示例中，举例而言，诸如钎焊的单体的正负集流体、通过热膨胀系数差异所增强的钎焊接头、连接(例如，焊接)单体主体或单体主体中的特征等互连可以适用于(或适于)举例而言诸如模块、封装包等单体组。在另一示例中，举例而言诸如单体和/或模块中冲压的有袋的导电外壳等互连可以适用于(或适于)举例而言诸如模块、封装包等单体组。在又一示例中，举例而言，诸如封装包之间的母线/互连体等互连在一些情况下可以适用于(或适于)举例而言诸如芯体等单体组。此外，应变减轻配置(例如，单体之间的电流传输板、间隔物、螺旋减轻或顺从性特征/结构/图样等)和电气特征/结构特征(例如，端盖等)在一些情况下可以适用于(或适于)本文的任何单体组。各种互连配置可以适用于组级别或单个单体。因此，在一个示例中，单体之间所使用的间隔物可以被配置用作封装包之间的间隔物，单体之间的电流传输板可以被配置用于用在模块之间，包括单体本体上用于连接模块内的单体本体的特征的互连交界面可以被配置用于连接在相邻封装包上的外部单体的单体本体等。此外，关于形成串联连接所描述的互连在一些情况下可以适用于形成并联连接，且反之亦然。
本公开内容的装置、系统和方法可以与其他装置、系统和/或方法结合或者由其修改，举例而言，诸如美国专利号3,663,295(“STORAGE BATTERY ELECTROLYTE”)、美国专利号3,775,181(“LITHIUM STORAGE CELLS WITH A FUSED ELECTROLYTE”)、美国专利号8,268,471(“HIGH-AMPERAGE ENERGY STORAGE DEVICE WITH LIQUID METAL NEGATIVE ELECTRODEAND METHODS”)、美国专利公开号2011/0014503(“ALKALINE EARTH METAL ION BATTERY”)、美国专利公开号2011/0014505(“LIQUID ELECTRODE BATTERY”)、美国专利公开号2012/0104990(“ALKALI METAL ION BATTERY WITH BIMETALLIC ELECTRODE”)和美国专利公开号2014/0099522(“LOW-TEMPERATURE LIQUID METAL BATTERIES FOR GRID-SCALEDSTORAGE”)中所描述的电池和电池组件，上述每一件专利和专利公开文献均通过引用而全文并入于此。
本公开内容的储能装置可以用于电网规模场景或独立使用场景。本公开内容的储能装置可以在一些情况下用于为诸如踏板车、摩托车、轿车、卡车、火车、直升机、飞机等载具供能，以及为诸如机器人等其他机械设备供能。
本领域技术人员将会认识到，所述电池外壳组件可以由除了上文提供的示例之外的材料构建而成。所述导电电池外壳组件中的一个或多个例如可以由除了钢之外的金属和/或由一种或多种导电复合材料构建而成。在另一示例中，一种或多种电绝缘组件可以由除了上述的玻璃、云母和蛭石之外的电介质构建而成。本发明因此并不限于任何特定的电池外壳材料。
本公开内容关于阴极所描述的任何方面至少在一些配置下可以同样适用于阳极。类似地，在替代配置中一个或多个电池电极和/或电解质可以不是液体。在一个示例中，电解质可以是聚合物或凝胶。在又一示例中，至少一个电池电极可以是固体或凝胶。此外，在一些示例中，电极和/或电解质可以不包含金属。本公开内容的各方面适用于各种储能装置/能量转换装置而不局限于液态金属电池。
实施例
实施例1：构造的材料
钨(W)和钼(Mo)的合金，举例而言，诸如表3中列出的那些，可以用在本公开内容的密封件中。所述合金可以用作钎焊至电绝缘陶瓷(例如，氮化铝)的组分(例如，W或Mo)。在一些情况下，钨和/或钼合金具有与陶瓷相匹配(例如，在陶瓷的CTE的约1％内、约5％内或约10％内)的热膨胀系数(CTE)、是抗氧化的并且/或者对来自负电极的金属蒸气(例如，锂、钠、钾、镁或钙蒸气)或熔盐的侵蚀、合金化和/或腐蚀有抗性。
表3:钨和钼的合金的示例
应当理解，本文所使用的术语是为了描述特定实施方式而使用的，并且不旨在限制本发明的范围。应当注意，本文所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”等包括复数指代，除非上下文另有明确规定。此外，除非另有定义，本文使用的所有技术和科学术语均具有与本发明所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。
虽然本文已经示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式只是以示例的方式提供的。本领域技术人员现将在不偏离本发明的情况下想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本发明的过程中可以采用对本文所描述的本发明实施方式的各种替代方案。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等效项。

Claims (13)

1.一种高温装置，包括：
a.容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及
b.密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，
所述密封件包括：
i.陶瓷材料，其暴露于所述反应性金属和/或熔盐，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐有化学抗性；
ii.金属套环，其与所述陶瓷材料相邻；以及
iii.活性金属钎焊接头，其安置在所述陶瓷材料与所述金属套环和所述容器中的至少一个之间，其中所述活性金属钎焊接头包含至少一种将所述陶瓷材料化学还原的金属。
2.一种电化学单体，包括：
a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；
b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及
c.密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括陶瓷材料、钎焊材料和套管。
3.一种电化学单体，包括：
a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；
b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及
c.密封件，其将所述导体密封到所述导电外壳，其中所述密封件提供了在至少约25℃的温度下不超过约1×10-6大气压-立方厘米每秒(atm-cc/s)的氦气泄露率。
4.一种电化学单体，包括：
a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；
b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及
c.密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中跨所述密封件的阻抗在所述操作温度下至少约为1千欧姆。
5.一种电化学单体，包括：
a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；
b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及
c.密封件，其包括结合至金属套环并且连接至所述导体和所述导电外壳的电绝缘陶瓷，其中所述密封件使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述电绝缘陶瓷具有小于6μm/m/℃的热膨胀系数(CTE)，并且其中所述金属套环的CTE与所述电绝缘陶瓷的CTE的差异小于60％。
6.一种电化学单体，包括：
a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；
b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及
c.密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括具有与所述导电外壳和/或所述导体的热膨胀系数(CTE)的差异为至少10％的CTE的材料，并且其中所述密封件具有几何形状以使得所述电化学单体气密地密封。
7.一种高温装置，包括：
a.容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及
b.密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，所述密封件包括：
i.陶瓷材料，其暴露于所述反应性金属和/或熔盐，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐是有化学抗性的；以及
ii.第一金属套环，其接合至所述陶瓷材料，其中所述第一金属套环具有小于8ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。
8.一种用于选择材料以形成用于包含反应性材料的高温装置的密封件的方法，所述方法包括：
基于所述材料中的每一个的增加或减少的生成吉布斯自由能(ΔGr)对材料集进行等级排序；
选择等级排序的材料的子集，其中所选择的材料保持等级排序；以及
基于所选择的等级排序的材料选择密封材料集，从而当提供在所述密封件中时消除了所选择的等级排序的材料劣化的驱动力。
9.一种电化学单体，包括：
a.容器，其包含维持在至少约200℃的温度下的反应性材料；以及
b.密封件，其穿过所述容器并且将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，所述密封件包括暴露于所述反应材料的陶瓷组件和接合至所述陶瓷组件的金属套环，其中所述密封件以圆周配置进行布置，所述圆周配置导致所述金属套环到所述陶瓷导体上的径向压缩力，并且其中所述密封件被配置有相对于垂直朝向约20度的锥角。
10.一种电化学单体，包括：
a.容器，其包含维持在至少约200℃的温度下的反应性材料；以及
b.所述容器中的密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，所述密封件包括暴露于所述反应性材料的陶瓷组件和接合至所述陶瓷组件的金属套环，其中所述密封件以带有一个或多个密封交界面的堆叠配置进行布置，所述一个或多个密封交界面垂直于与穿过所述密封件的导体平行的方向。
11.一种电化学单体，包括：
a.容器，其包含一种或多种包含维持在至少约100℃的温度下的液体组分和气体组分的材料，其中至少一种所述材料是反应性材料；和
b.所述容器中的密封件，所述密封件将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，其中所述密封件被配置为在临界压力之上或在临界温度之上的压力减轻组件，其中所述密封件被提供在靠近所述容器内部的顶部空间处，其中所述顶部空间包含所述气体组分，并且其中所述顶部空间在所述液体组分之上。
12.一种电化学单体，包括：
a.容器，其包含维持在至少约200℃的温度下的反应性材料；以及
b.密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，所述密封件包括暴露于所述反应性材料的陶瓷材料和接合至所述陶瓷材料的金属套环，其中所述金属套环的热膨胀系数(CTE)与所述陶瓷材料的CTE的差异小于30％，并且其中所述金属套环是铁合金。
13.一种用于使反应性材料包含于高温装置中的密封件，所述密封件包括：
陶瓷材料，其是电隔离的且具有比与所述反应性材料和共有元素相关联的第一化合物的生成吉布斯自由能(ΔGr,n)更为负的归一化的ΔGr,n；以及
活性钎焊材料，其与所述反应材料是化学稳定的，其中与所述活性钎焊材料和所述共有元素相关联的第二化合物的ΔGr,n比所述陶瓷材料的ΔGr,n更为负。
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