CN110429350A - 一种可重复使用的液态金属电池装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可重复使用的液态金属电池装置，包括：包括电池壳体、顶盖、金属套管、绝缘密封材料、负极导电管、阀门；电池壳体内依次放置负极集流体、电解质、正极材料和正极集流体；正极材料置于正极集流体内，负极材料填充于负极集流体中，负极集流体通过负极引线与负极导电管连接，负极导电管穿过顶盖中心的金属套管，与阀门连接；电池壳体与顶盖之间可拆卸连接。本发明提供的液态金属电池装置可拆开重复使用，适应于电池内部活性材料的优化调整，可简化电池的配置过程，降低液态金属电池研发成本，并且通过阀门检测电池壳体气密性。

Description

一种可重复使用的液态金属电池装置

技术领域

本发明涉及储能电池技术领域，具体涉及一种可重复使用的液态金属电池装置。

背景技术

储能技术是消除可再生能源大规模开发利用瓶颈的关键技术，可提高风电和光伏发电的利用效率，同时，也可改善电力供需矛盾，平抑电网峰谷差，提高传统发电效率，提高电网安全性和稳定性。电化学储能具有能量密度高、响应时间快，维护成本低、安装灵活方便等特点，成为储能技术的热点发展方向。目前，主要的电化学储能技术有铅酸电池、钠硫电池、液流电池、锂离子电池等。然而铅酸电池循环寿命较短，钠硫电池尚未解决高温运行条件下的安全问题和电解质的高成本问题，锂离子电池和液流电池成本也较高，且液流电池还面临电解液、隔膜材料等关键技术问题。

液态金属电池是一类新型储能电池，其基本特征是：电池在300℃～700℃运行，正负极金属和无机盐电解质均为液态，电解质、正极和负极密度不同且互不相溶，液态物质自动分为三层。该电池结构简单、易放大、高倍率充放电性能好、循环寿命长，是一种很有潜力的大规模储能技术。

液态金属电池的储能特性主要决定于电池活性材料体系，因此电池材料体系的开发和研究对液态金属电池的优化和改进至关重要，需要通过大批量的实验研究来优化电池正负极金属、熔盐电解质的成分。此外，液态金属电池在高温下运行，电极材料对水、氧十分敏感，因此电池对外壳的密封要求很高。通常，液态金属电池外壳主要有两个位置需要密封：一是顶盖和负极引出线之间的密封，此处不仅需要密封，还需要保证绝缘；二是顶盖和壳体之间的密封。在第一处密封位置通常采用陶瓷、玻璃、熔盐中的其中一种或几种，陶瓷和玻璃质地脆，且容易在升温或降温过程中发生开裂，从而导致密封失效，而熔盐在工作温度下为熔融状态，无法承受内外气压差。对于第二处的密封，通常采用的方法是将顶盖和壳体焊接起来，这种方法虽然密封性能良好，但是在电池的开发过程中电池外壳无法重复利用，每试验一种新的成分则需要一整套新的电池外壳、顶盖、绝缘密封材料等部件和焊接操作，这不仅使得电池组装过程复杂，还提高了电池研发成本。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种可重复使用的液态金属电池装置，简化电池的配置过程，降低液态金属电池研发成本。

本发明提供一种可重复使用的液态金属电池装置，其改进之处在于，所述装置包括电池壳体、顶盖、金属套管、绝缘密封材料、负极导电管、阀门；电池壳体内依次放置负极集流体、电解质、正极材料和正极集流体；正极材料置于正极集流体内，负极材料填充于负极集流体中，负极集流体通过负极引线与负极导电管连接，负极导电管穿过顶盖中心的金属套管，与阀门连接；电池壳体与顶盖之间可拆卸连接。

优选的，电池壳体与顶盖之间放置有密封圈。

进一步的，电池壳体与顶盖通过螺钉和螺帽紧固实现可拆卸连接。

优选的，所述的电池壳体、顶盖、金属套管、负极导电管的材质为不锈钢或钛合金。

进一步的，所述的金属套管长度为50～200mm；所述的金属套管的内径和负极导电管的外径之差为1～4mm。

进一步的，在所述金属套管上端与负极导电管的缝隙，采用烧结或过盈配合的方式紧密填充绝缘密封材料；所述绝缘密封材料与金属套管密封连接并相互绝缘。

进一步的，所述的密封圈为金属缠绕垫片、橡胶密封圈、聚四氟乙烯垫片、金属垫片或石墨垫片。

进一步的，所述的螺钉和螺帽材质均为金属，其套数为4、6、8或12，并附带金属垫片。

进一步的，所述的绝缘密封材料的材质为氧化铝、氧化锌、氧化镁、氧化铋、氧化硼、氧化铜、氧化铅、氧化硅中的一种或多种。

优选的，所述的阀门为球阀或蝶阀，主体材料由金属材料制成。

优选的，所述的负极集流体为多孔泡沫金属材料，其材质为铁、镍、钛、锆或其合金，多孔材料的平均孔隙直径为0.3～2mm，孔隙率为60～95％；所述负极材料为锂、钠、钾、镁、钙、钡中的一种或多种的混合物；所述负极材料通过吸附或机械加压方式填充于负极集流体中。

优选的，所述的正极集流体为导电坩埚，其材质为石墨、铁、镍、钛、锆或其合金；所述正极材料为锡、铅、铋、锑、碲、锌、镓、铟、汞中的一种或多种的混合物。

与最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果：

本发明提供的一种可重复使用的液态金属电池装置，包括电池壳体(1)、顶盖(2)、金属套管(6)、绝缘密封材料(7)、负极导电管(8)、阀门(9)；电池壳体内依次放置负极集流体(10)、电解质(11)、正极材料(12)和正极集流体(13)；正极材料(12)置于正极集流体(13)内，负极材料填充于负极集流体(10)中，负极集流体(10)通过负极引线与负极导电管(8)连接，负极导电管(8)穿过顶盖(2)中心的金属套管(6)，与阀门(9)连接；电池壳体(1)与顶盖(2)之间可拆卸连接，本发明提供的液态金属电池装置可拆开重复使用，适应于电池内部活性材料的优化调整，可简化电池的配置过程，降低液态金属电池研发成本，并且通过阀门检测电池壳体气密性；

其中，利用金属套管将绝缘密封材料的位置延伸至电池壳体外一定距离，在电池工作时绝缘密封材料处于加热区外，因此其受热影响较小，不会发生开裂，并且较低温度下密封材料受电池内部气氛腐蚀作用也较小，从而更能保证其优良的密封性能；

电池外壳和顶盖采用法兰式密封，通过加装密封圈，采用螺钉、螺帽紧固实现密封，可实现电池壳体的重复利用，从而减少了电池部件的浪费、降低了电池新型电极材料的研发成本；负极导电管连接阀门，可以实现检查电池外壳气密性和电池密封可靠性的目的。

附图说明

图1为本发明可重复使用的液态金属电池装置的剖面结构示意图；

图2为本发明可重复使用的液态金属电池装置的顶盖俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种可重复使用的液态金属电池装置，如图1所示，所述装置包括：电池壳体(1)、顶盖(2)、金属套管(6)、绝缘密封材料(7)、负极导电管(8)、阀门(9)；电池壳体内依次放置负极集流体(10)、电解质(11)、正极材料(12)和正极集流体(13)；正极材料(12)置于正极集流体(13)内，负极材料填充于负极集流体(10)中，负极集流体(10)通过负极引线与负极导电管(8)连接，负极导电管(8)穿过顶盖(2)中心的金属套管(6)，与阀门(9)连接；电池壳体(1)与顶盖(2)之间可拆卸连接。

在本发明提供的实施例中，上述电池壳体(1)与顶盖(2)之间放置有密封圈(3)，其中，电池壳体(1)与顶盖(2)通过螺钉(4)和螺帽(5)紧固实现可拆卸连接。

具体地，电池壳体(1)、顶盖(2)、金属套管(6)、负极导电管(8)的材质为不锈钢或钛合金，金属套管(6)长度为50～200mm；所述的金属套管(6)的内径和负极导电管(8)的外径之差为1～4mm。

其中，上述金属套管(6)上端与负极导电管(8)的缝隙，采用烧结或过盈配合的方式紧密填充绝缘密封材料(7)；所述绝缘密封材料(7)与金属套管(6)密封连接并相互绝缘。

具体地，密封圈(3)为金属缠绕垫片、橡胶密封圈、聚四氟乙烯垫片、金属垫片或石墨垫片，螺钉(4)和螺帽(5)材质均为金属，其套数为4、6、8或12，并附带金属垫片；上述绝缘密封材料(7)的材质为氧化铝、氧化锌、氧化镁、氧化铋、氧化硼、氧化铜、氧化铅、氧化硅中的一种或多种。

在本发明提供的实施例中，上述阀门(9)为球阀或蝶阀，主体材料由金属材料制成；负极集流体(10)为多孔泡沫金属材料，其材质为铁、镍、钛、锆或其合金，多孔材料的平均孔隙直径为0.3～2mm，孔隙率为60～95％；所述负极材料为锂、钠、钾、镁、钙、钡中的一种或多种的混合物；所述负极材料通过吸附或机械加压方式填充于负极集流体中。

在本发明提供的实施例中，上述正极集流体(13)为导电坩埚，其材质为石墨、铁、镍、钛、锆或其合金；所述正极材料为锡、铅、铋、锑、碲、锌、镓、铟、汞中的一种或多种的混合物。

本发明提供的实施例中，如图2所示，金属套管6焊接顶盖2的中心，顶盖2和电池壳体1通过6个型号为M8的螺钉4固定。

综上所述，本发明提供的一种可重复使用的液态金属电池装置，包括电池壳体(1)、顶盖(2)、金属套管(6)、绝缘密封材料(7)、负极导电管(8)、阀门(9)；电池壳体内依次放置负极集流体(10)、电解质(11)、正极材料(12)和正极集流体(13)；正极材料(12)置于正极集流体(13)内，负极材料填充于负极集流体(10)中，负极集流体(10)通过负极引线与负极导电管(8)连接，负极导电管(8)穿过顶盖(2)中心的金属套管(6)，与阀门(9)连接；电池壳体(1)与顶盖(2)之间可拆卸连接，本发明提供的液态金属电池装置可拆开重复使用，适应于电池内部活性材料的优化调整，可简化电池的配置过程，降低液态金属电池研发成本，并且通过阀门检测电池壳体气密性；

其中，利用金属套管将绝缘密封材料的位置延伸至电池壳体外一定距离，在电池工作时绝缘密封材料处于加热区外，因此其受热影响较小，不会发生开裂，并且较低温度下密封材料受电池内部气氛腐蚀作用也较小，从而更能保证其优良的密封性能；

电池外壳和顶盖采用法兰式密封，通过加装密封圈，采用螺钉、螺帽紧固实现密封，可实现电池壳体的重复利用，从而减少了电池部件的浪费、降低了电池新型电极材料的研发成本；负极导电管连接阀门，可以实现检查电池外壳气密性和电池密封可靠性的目的。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (12)

1.一种可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述装置包括：电池壳体(1)、顶盖(2)、金属套管(6)、绝缘密封材料(7)、负极导电管(8)、阀门(9)；电池壳体内依次放置负极集流体(10)、电解质(11)、正极材料(12)和正极集流体(13)；正极材料(12)置于正极集流体(13)内，负极材料填充于负极集流体(10)中，负极集流体(10)通过负极引线与负极导电管(8)连接，负极导电管(8)穿过顶盖(2)中心的金属套管(6)，与阀门(9)连接；电池壳体(1)与顶盖(2)之间可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：电池壳体(1)与顶盖(2)之间放置有密封圈(3)。

3.根据权利要求2所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：电池壳体(1)与顶盖(2)通过螺钉(4)和螺帽(5)紧固实现可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的电池壳体(1)、顶盖(2)、金属套管(6)、负极导电管(8)的材质为不锈钢或钛合金。

5.根据权利要求4所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的金属套管(6)长度为50～200mm；所述的金属套管(6)的内径和负极导电管(8)的外径之差为1～4mm。

6.根据权利要求5所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：在所述金属套管(6)上端与负极导电管(8)的缝隙，采用烧结或过盈配合的方式紧密填充绝缘密封材料(7)；所述绝缘密封材料(7)与金属套管(6)密封连接并相互绝缘。

7.根据权利要求2所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的密封圈(3)为金属缠绕垫片、橡胶密封圈、聚四氟乙烯垫片、金属垫片或石墨垫片。

8.根据权利要求3所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的螺钉(4)和螺帽(5)材质均为金属，其套数为4、6、8或12，并附带金属垫片。

9.根据权利要求6所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的绝缘密封材料(7)的材质为氧化铝、氧化锌、氧化镁、氧化铋、氧化硼、氧化铜、氧化铅、氧化硅中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的阀门(9)为球阀或蝶阀，主体材料由金属材料制成。

11.根据权利要求1所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的负极集流体(10)为多孔泡沫金属材料，其材质为铁、镍、钛、锆或其合金，多孔材料的平均孔隙直径为0.3～2mm，孔隙率为60～95％；所述负极材料为锂、钠、钾、镁、钙、钡中的一种或多种的混合物；所述负极材料通过吸附或机械加压方式填充于负极集流体中。

12.根据权利要求1所述的可重复使用的液态金属电池装置，其特征在于：所述的正极集流体(13)为导电坩埚，其材质为石墨、铁、镍、钛、锆或其合金；所述正极材料为锡、铅、铋、锑、碲、锌、镓、铟、汞中的一种或多种的混合物。