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Abstract

一种适用于液态金属电池无损检测的装置，属于储能电池技术领域。该装置包括金属坩埚、正极材料、电解质、负极集流体、金属套环、金属紧固件、密封圈、金属密封压件、金属套管、金属环、绝缘陶瓷、金属帽、负极导电杆。该电池装置能够在短时间内同时探测液态金属和熔盐环境中正负极集流体、密封绝缘材料等关键部件的显微形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。本发明既能够充当电池进行电化学测试，又能够在不拆卸电池、不破坏其结构的情况下进行高分辨率无损检测，不仅不会影响其运行寿命，还能节约成本。

Description

一种适用于液态金属电池无损检测的装置
技术领域
本发明涉及储能电池技术领域，特别是指一种适用于液态金属电池无损检测的装置。
背景技术
近年来，能源危机及环境污染日益严重，可再生能源得到了前所未有的开发，其装机容量及发电量迅速增长。然而风能、太阳能、潮汐能等可再生能源的波动性及间歇性，增大了电网调峰的难度，并严重阻碍了其进行大规模并网。因此，研发高效率、低成本的大规模储能技术，将风电、光伏等可再生能源电力进行高效存储，解决由可再生能源发电的波动性及间歇性引起的电网电压、频率及相位变化等问题，实现可再生能源发电的平滑输出，迫在眉睫。另外，大规模储能技术还能够应用于电网热备用、“削峰填谷”以及电能质量的改善。研发高效廉价的大规模储能技术，是有效利用可再生能源的关键手段，对我国构建智能电网及改善能源结构具有重要的战略意义。
液态金属电池是近年来新兴的引人注目的大规模电化学储能技术，由麻省理工学院(MIT)的Donald R.Sadoway教授等人提出，其低成本、长寿命及可扩展性强等优势能较好地满足可再生能源大规模储能的技术要求，展现出了巨大的应用潜力。
然而，目前液态金属电池也存在缺点，电池需要在较高的温度下运行，电池内正负极和电解质材料均为液态，它们对水、氧十分敏感。高温下，液态的正负极和电解质材料对正负极集流体、绝缘密封材料、电池壳体等具有一定的腐蚀性，特别是作为负极材料的活性碱金属或碱土金属对密封绝缘材料的腐蚀尤为强烈，这会导致电池的密封效果大大减弱，从而严重影响电池的运行寿命。
上述腐蚀必然会造成液态金属电池电极及电解质材料的成分及微结构变化，而液态金属电池电极及电解质材料的成分组成及微结构对电池的综合性能(电压、容量、效率、循环寿命等)有着十分重要且复杂的影响。现有的液态金属电池检测分析手段(SEM、EDS、XRD等)，不但需要拆卸电池、破坏电池结构、影响其运行寿命，而且增加人力、物力及时间成本。而无损检测技术能够在不破坏被检测对象结构、不影响被检测对象使用性能的前提下，借助先进的技术(射线、超声、电磁等)及设备器材，对被检测对象内部和表面的结构、性质、状态以及各种缺陷进行检查和测试，具有非破坏性、互容性、动态性、严格性以及检测结果的分歧性等特点。
因此，如何借助无损检测技术，提供一种适用于液态金属电池无损检测的装置，探测高温液态金属及电解质环境中电池关键部件的显微形貌，分析其腐蚀过程，揭示其腐蚀机理成为本领域技术人员急需解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是借助无损检测技术，设计制备一种液态金属电池装置，探测其内部关键部件的腐蚀分布及腐蚀微区形貌，研究其腐蚀过程。
一种适用于液态金属电池无损检测的装置，包括金属坩埚、正极材料、电解质、负极集流体、金属套环、金属紧固件、密封圈、金属密封压件、金属套管、金属环、绝缘陶瓷、金属帽、负极导电杆；正极材料置于充当正极集流体的金属坩埚内，电解质由于密度原因漂浮在正极材料表面，负极材料填充于充当负极集流体的多孔泡沫金属材料中，负极集流体与负极导电杆直接连接，负极导电杆穿过焊接于金属密封压件中心的金属套管，并通过绝缘陶瓷、金属帽、金属环得以固定，与金属套管密封连接并互相绝缘；金属套环与金属紧固件之间通过螺纹连接，金属套环下部及金属紧固件上部均为外六角或四角螺母形状，便于紧固，进而挤压金属坩埚、密封圈以及金属密封压件实现密封。
进一步地，充当正极集流体的金属坩埚材质为不锈钢或钛、铝、铁、铜、锌、镍、铬、钴、锰、钪、钒、钇、锆、铌、钼等及其合金，其材质与尺寸可根据不同的无损检测分辨率要求进行调整；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％；负极导电杆材质为不锈钢或钛、铝、铁、铜、锌、镍、铬、钴、锰、钪、钒、钇、锆、铌、钼等及其合金。
进一步地，正极材料为Sn、Pb、Bi、Sb、Te、Zn中的一种或多种的混合物；负极材料为Li、Na、K、Mg、Ca、Ba中的一种或多种的混合物；电解质为负极材料对应的卤族无机盐中的一种或多种的混合物。
进一步地，金属套环、金属紧固件、金属密封压件、金属套管的材质为不锈钢或钛、铝、铁、铜、锌、镍、铬、钴、锰、钪、钒、钇、锆、铌、钼等及其合金。
进一步地，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。
进一步地，金属环及金属帽材质为铁镍、铁镍钴、铁镍铬系合金还有无氧铜、钨、钼及其合金。
进一步地，绝缘陶瓷的材质为氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硼、氮化铝、碳化硅中的一种或多种，其材质与尺寸可根据不同的无损检测分辨率要求进行调整。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
1.传统的液态金属电池装置，通常情况下只能进行常规的物相及形貌分析，不但需要拆卸电池、破坏电池结构、影响其运行寿命，而且增加人力、物力及时间成本。即使能够进行简单的超声无损检测，也无法获得材料内部的三维结构及形貌，检测分辨率较低。本发明提供的一种适用于液态金属电池无损检测的装置，金属套环与金属紧固件采用螺纹连接进行装配与拆卸，通过加装密封圈并借助螺母状结构进行紧固实现密封，这种密封方式不仅满足液态金属电池对外壳的密封要求，实现电池壳体的重复利用，减少电池部件的浪费，更重要的是可以大幅减小液态金属电池装置的尺寸，可根据无损检测分辨率要求调整尺寸。
2.本发明提供的一种适用于液态金属电池无损检测的装置，充当正极集流体的金属坩埚壁厚极小，有利于射线、超声波、电磁波穿过获得更高的分辨率。此外，本发明提供的一种适用于液态金属电池无损检测的装置，能够在短时间内同时探测液态金属和熔盐环境中正负极集流体、密封绝缘材料等关键部件的显微形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。本发明既能够充当电池进行电化学测试，又能够在不拆卸电池、不破坏其结构的情况下进行无损检测，不仅不会影响其运行寿命，还能节约成本。
附图说明
图1为本发明的一种适用于液态金属电池无损检测的装置的外观立体图；
图2为本发明的一种适用于液态金属电池无损检测的装置的外观俯视图；
图3为本发明的一种适用于液态金属电池无损检测的装置的剖面结构图；其中：1-金属坩埚；2-正极材料；3-电解质；4-负极集流体；5-金属套环；6-金属紧固件；7-密封圈；8-金属密封压件；9-金属套管；10-金属环；11-绝缘陶瓷；12-金属帽；13-负极导电杆。
图4为本发明采用实施例1的适用于液态金属电池显微CT无损检测的装置的工作原理示意图；
图5为本发明的一种适用于液态金属电池显微CT无损检测的装置的绝缘陶瓷部位二维断层图像；
图6为本发明的一种适用于液态金属电池显微CT无损检测的装置的绝缘陶瓷部位三维重建图像；
图7为本发明的一种适用于液态金属电池显微CT无损检测的装置的负极及负极集流体部位二维断层图像；
图8为本发明的一种适用于液态金属电池显微CT无损检测的装置的负极及负极集流体部位三维重建图像；
图9为本发明的一种适用于液态金属电池显微CT无损检测的装置的正极及正极集流体部位二维断层图像；
图10为本发明的一种适用于液态金属电池显微CT无损检测的装置的正极部位三维重建图像。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的液态金属电池只能进行常规的物相、形貌分析及简单的超声检测，具有破坏性、成本高、分辨率低等缺点，借助无损检测技术，提供一种适用于液态金属电池无损检测的装置，在不拆卸电池、不破坏电池结构的情况下探测高温液态金属及电解质环境中电池关键部件的显微形貌，分析其腐蚀过程，揭示其腐蚀机理。
本发明提供的液态金属电池装置具有以下几个优点：
1.本发明提供的一种适用于液态金属电池无损检测的装置，金属套环与金属紧固件采用螺纹连接进行装配与拆卸，通过加装密封圈并借助螺母状结构进行紧固实现密封，这种密封方式不仅满足液态金属电池对外壳的密封要求，实现电池壳体的重复利用，减少电池部件的浪费，更重要的是可以大幅减小液态金属电池装置的尺寸，可根据无损检测精度要求调整尺寸。
2.本发明提供的一种适用于液态金属电池无损检测的装置，充当正极集流体的金属坩埚壁厚极小，有利于射线穿过获得更高的分辨率。
3.本发明提供的一种适用于液态金属电池无损检测的装置，能够在短时间内一次性探测液态金属和熔盐环境中正负极集流体、密封绝缘材料等关键部件的显微形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。
本实施例中的适用于液态金属电池无损检测的装置的外观立体图如图1所示，外观俯视图及剖面结构图如图2及图3所示。本实施例中，正极集流体金属坩埚外径8mm，壁厚0.1～0.2mm，固定在金属套环及密封圈之间。优选的密封圈为石墨垫片，还可以为金属垫片或石墨金属垫片。金属套环与金属紧固件通过螺纹连接进行装配与拆卸，金属密封压件与金属套管焊接在一起，金属密封压件底部与金属紧固件相接触，并通过金属紧固件与金属套环、密封圈之间的紧固挤压密封。顶盖直径为15mm，其中心焊接金属套管，其长度为15mm。在金属套管内插入负极导电杆，负极导电杆长度为下端伸出至顶盖下端露出20～30mm。在金属套管上端与负极导电杆的缝隙中紧密填充绝缘密封材料，优选的绝缘密封材料为氧化铝，采用可伐帽及可伐环进行连接及密封。
本实施例中，负极材料为Li、Na、K、Mg、Ca、Ba中的一种或多种的混合物，通过吸附或机械加压填充于负极集流体中；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％；电解质为负极材料对应的卤族无机盐中的一种或多种的混合物；正极材料为Sn、Pb、Bi、Sb、Te、Zn中的一种或多种的混合物；金属坩埚、金属套环、金属紧固件、金属密封压件、金属套管、负极导电杆的材质为不锈钢或钛合金。经实际测试，该电池装置可置于200～700℃下工作，其密封性满足要求。本实施例中的电池装置在电化学测试后，置于旋转载物台，进行显微CT无损检测，其工作原理如图4所示，使用本实施例中的同一电池装置更换测试了十余种电池正负极材料，电池密封及循环稳定性能优良，获得了十余种材料的电化学及高分辨率显微CT测试结果。图4-图10分别是同一电池装置进行显微CT无损检测各部位的二维及三维图像。本发明提供的一种适用于液态金属电池无损检测的装置，能够在短时间内一次性探测液态金属和熔盐环境中正负极集流体、密封绝缘材料等关键部件的显微形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。本发明既能够充当电池进行电化学测试，又能够在不拆卸电池、不破坏其结构的情况下进行高分辨率无损检测，不仅不会影响其运行寿命，还能节约成本。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种适用于液态金属电池无损检测的装置，其特征在于：金属坩埚(1)位于正极材料(2)、电解质(3)、负极集流体(4)的上部，金属紧固件(6)位于密封圈(7)、金属密封压件(8)的上部，负极导电杆(13)从下到上穿过金属套环(5)、金属密封压件(8)、金属套管(9)、金属环(10)、绝缘陶瓷(11)和金属帽(12)；正极材料(2)置于充当正极集流体的金属坩埚(1)内，电解质(3)由于密度原因漂浮在正极材料(2)表面，负极材料填充于充当负极集流体(4)的多孔泡沫金属材料中，负极集流体(4)与负极导电杆(13)直接连接，负极导电杆(13)穿过焊接于金属密封压件(8)中心的金属套管(9)，并通过绝缘陶瓷(11)、金属帽(12)、金属环(10)得以固定，与金属套管(9)密封连接并互相绝缘；金属套环(5)与金属紧固件(6)之间通过螺纹连接，金属套环(5)下部及金属紧固件(6)上部均为外六角或四角螺母形状，便于紧固，进而挤压金属坩埚(1)、密封圈(7)以及金属密封压件(8)实现密封。
2.根据权利要求1所述的适用于液态金属电池无损检测的装置，其特征在于：所述的充当正极集流体的金属坩埚(1)材质为不锈钢或钛、铝、铁、铜、锌、镍、铬、钴、锰、钪、钒、钇、锆、铌、钼及其合金，其材质与尺寸可根据不同的无损检测分辨率要求进行调整；所述的负极集流体(4)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％；所述的负极导电杆(13)材质为不锈钢或钛、铝、铁、铜、锌、镍、铬、钴、锰、钪、钒、钇、锆、铌、钼及其合金。
3.根据权利要求1所述的适用于液态金属电池无损检测的装置，其特征在于：所述的正极材料(2)为Sn、Pb、Bi、Sb、Te、Zn中的一种或多种的混合物；所述的负极材料为Li、Na、K、Mg、Ca、Ba中的一种或多种的混合物；电解质(3)为负极材料对应的卤族无机盐中的一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的适用于液态金属电池无损检测的装置，其特征在于：所述的金属套环(5)、金属紧固件(6)、金属密封压件(8)、金属套管(9)的材质为不锈钢或钛、铝、铁、铜、锌、镍、铬、钴、锰、钪、钒、钇、锆、铌、钼及其合金。
5.根据权利要求1所述的适用于液态金属电池无损检测的装置，其特征在于：所述的密封圈(7)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。
6.根据权利要求1所述的适用于液态金属电池无损检测的装置，其特征在于：所述的金属环(10)及金属帽(12)材质为铁镍、铁镍钴、铁镍铬系合金还有无氧铜、钨、钼及其合金。
7.根据权利要求1所述的适用于液态金属电池无损检测的装置，其特征在于：所述的绝缘陶瓷(11)的材质为氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硼、氮化铝、碳化硅中的一种或多种，其材质与尺寸可根据不同的无损检测分辨率要求进行调整。
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