CN202534703U

CN202534703U - 钠硫电池

Info

Publication number: CN202534703U
Application number: CN2011205306867U
Authority: CN
Inventors: 辻雄希
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2021-12-16

Abstract

本实用新型的钠硫电池(1)具有：阳极容器(2)，其由软金属制作，具有筒部(21)和堵塞筒部(21)的下端部的底盖(22)，并收容筒状有底的固体电解质管(4)、充填在固体电解质管(4)的内侧的钠Na、充填在固体电解质管(4)的外侧的硫磺S；刚性容器(10)，其由硬金属制作，收容阳极容器(2)。在阳极容器(2)和刚性容器(10)之间具有空隙部(91、92)。阳极容器(2)的底盖(22)具有薄壁部(72)，该薄壁部(72)受到当阳极容器(2)的内部温度在444℃以上且660℃以下的范围内时的内部压力而被破裂，在薄壁部(72)破裂的状态下，空隙部(91、92)和阳极容器(2)的内部相连通。

Description

钠硫电池

技术领域

本实用新型涉及一种钠硫电池。

背景技术

钠硫电池(下面，称之为“NaS电池”)是在300～350℃下工作的高温二次电池，采用如下结构：在阳极容器内，将作为阳极活性物质的硫磺和作为阴极活性物质的钠分别隔离收容在由β-氧化铝形成的固体电解质管的内外，并将阳极容器内密封为密闭状态，使得活性物质保持不与外气接触的状态。

然而，就这样的NaS电池而言，例如，若用于调节电池温度的加热器异常加热、电池过放电等，则收容在阳极容器中的熔融硫磺的蒸气压随着电池的温度上升而变高，使配设在阳极容器内的固体电解质管破坏，最终使分别隔离收容在固体电解质管的内外的熔融金属钠和熔融硫磺直接接触而发生化学反应。而且，在硫磺和钠直接发生反应的情况下，存在该反应热会产生大的火焰的危险性。

实用新型内容

本实用新型是鉴于这样的问题而提出的，其目的在于提供一种具有更高安全性的NaS电池，该NaS电池即使在加热器异常加热、电池过放电等的情况下，也能够防止熔融金属钠和熔融硫磺直接接触。

为了实现上述目的，本实用新型的NaS电池的特征在于，具有：阳极容器，其由铝或铝合金制作，具有筒部和堵塞该筒部的下端部的底盖，并收容筒状有底的固体电解质管、充填在该固体电解质管的内侧的钠、充填在该固体电解质管的外侧的硫磺；刚性容器，其刚性比上述阳极容器更高，收容上述阳极容器；在上述阳极容器和上述刚性容器之间具有空隙部，上述阳极容器的底盖具有压力释放部，该压力释放部受到内部压力而被破裂，所述内部压力是指当上述阳极容器的内部温度在444℃以上且660℃以下的范围内时的内部压力，在上述压力释放部破裂的状态下，上述空隙部和上述阳极容器的内部相连通。

在此，优选地，上述刚性容器具有：有底筒部，其以覆盖上述阳极容器的底面及侧面的状态收容上述阳极容器；环状突起部，其从该有底筒部的上端部向内侧方向伸出且伸出至上述阳极容器的筒部的上端部的上方；在上述阳极容器发生热膨胀时，上述环状突起部与上述筒部的上端部相抵接，限制上述阳极容器在上下方向上伸长。

另外，优选地，上述压力释放部的壁厚比上述底盖的其他部分的壁厚更薄。

另外，优选地，上述阳极容器的底盖的底面面积的10％以上且50％以下的部分与上述刚性容器相接触。

另外，优选地，上述阳极容器的筒部具有内径比该筒部的其他部分的内径更小的缩径部。

若采用本实用新型的NaS电池，则压力释放部由于在发生了加热器异常、过放电等异常时的温度上升所引起的内压上升而被破裂，所以能够防止固体电解质管因内压上升而被破坏。因此，能够防止熔融金属钠和熔融硫磺直接接触，从而能够提高NaS电池的安全性。另外，在底盖设置了压力释放部，利用刚性容器覆盖了阳极容器，并在阳极容器和刚性容器之间设置了在压力释放部破裂的状态下与阳极容器的内部相连通的空隙部，所以能够将在压力释放部破裂时从阳极容器排出的活性物质保持在刚性容器内。

附图说明

图1是本实用新型的NaS电池的剖视图。

附图标记说明

1 NaS电池

2 阳极金属件

4 固体电解质管

10 刚性容器

81 有底筒部

82 环状突起部

21 筒部

22 底盖

72 薄壁部(压力释放部)

73 缩径部

91、92 空隙部

具体实施方式

下面，参照附图，对本实用新型的NaS电池进行说明。如图1所示，NaS电池1具有阳极容器2、用于收容阳极容器2的刚性容器10。

阳极容器2收容有：熔融硫磺S，其含浸在碳毡等中；盒子3，其收容熔融金属钠Na；圆筒状有底的固体电解质管4，其内部收容有该盒子3，并具有选择性地使钠离子透过的功能；圆筒状有底的隔壁管5，其位于盒子3和固体电解质管4之间的空隙部，与该盒子3以及固体电解质管4分别具有规定的间隔。

固体电解质管4借助使用玻璃接合在其开口端上的α-氧化铝制的绝缘环6及阳极金属件7来与阳极容器2相结合。在绝缘环6的上表面热压接合有阴极金属件8，该阴极金属件8通过焊接与阴极盖9相固定。在盒子3的上部空间内，以规定的压力封入有氮气或氩气等非活性气体，该非活性气体对盒子3内的钠Na施加向从设置在盒子底部的小孔31流出的方向的压力。

在具有上述结构的NaS电池1中，当放电时，从盒子3的小孔31供给的钠Na在隔壁管5和盒子3之间空隙内向上方移动，然后越过隔壁管5的上端，在隔壁管5和固体电解质管4之间的空隙内向下方移动，进而变为钠离子透过固体电解质管4，与阳极容器2内的硫磺S及通过外部电路到达的电子发生反应，生成多硫化钠。当充电时，与放电时相反，发生用于生成钠及硫磺的反应。

阳极容器2具有筒部21和堵塞该筒部21的下端部的底盖22。另外，阳极容器2由铝或铝合金形成。阳极容器2是通过如下方法来制作的：在使筒部21的下端部与底盖22的突出部71相嵌合的状态下，通过焊接等来将底盖22的外周与筒部21接合。

另外，阳极容器2的底盖22具有压力释放部，该压力释放部受到内部压力而破裂，所述内部压力是指阳极容器2的内部温度在444℃以上且660℃以下的范围内时的内部压力。就压力释放部的结构而言，例如可以想到将压力释放部形成为比阳极容器2的其他部分更脆弱的方法等，更具体地讲，如图1所示，可以在阳极容器2的底盖22的一部分例如在底盖22的中央部分形成薄壁部72。在这样的情况下，通过调节薄壁部72的厚度，能够形成为可在所期望的内压下实现压力释放的结构。

在本实用新型的NaS电池1中，使薄壁部72在硫磺的蒸气压急剧上升的1atm下的硫磺的沸点444℃以上时破裂。在444℃的温度下，不仅硫磺的蒸气压急剧上升，而且构成薄壁部72的铝合金的拉伸强度也降低至通常工作时的约1/2-1/3左右，所以能够相对容易地将薄壁部72设计为仅在这样的条件下破裂。

另外，在本实用新型的NaS电池1中，必须使薄壁部72在铝的熔点以下即660℃以下的温度破裂。这是因为，阳极容器2主要由铝构成，在660℃以上就会熔融而被破坏。

要使由铝或铝合金制作的阳极容器2在内部温度444℃-660℃的温度区间内释放压力，则只要设计为阳极容器2在444℃-660℃的温度区间内的内压对薄壁部72产生的应力值与铝或铝合金在该温度区间内的拉伸强度相平衡即可。此外，薄壁部72也可以通过机械加工、蚀刻或其他方法来形成。

若采用这样的结构，则当阳极容器2的内压上升时，阳极容器2的薄壁部72在固体电解质管4破损之前先被破裂以解除阳极容器2的密闭状态，所以能够防止发生固体电解质管4被内压破坏的情况。在阳极容器2和刚性容器10之间形成有空隙部91、92，在上述薄壁部72破裂的状态下，空隙部91、92与阳极容器2的内部相连通。从阳极容器2流出的硫磺等保持在阳极容器2的底面侧的空隙部91以及阳极容器2的侧面侧的空隙部92，所以不会向刚性容器10的外部流出。

另外，阳极容器2的筒部21具有内径比该筒部21的其他部分更小的缩径部73。2NaS电池1的温度变化所引起的阳极容器在轴线方向的膨胀、收缩，借助缩径部73得到缓解。

刚性容器10采用对硫磺及钠具有耐腐蚀性且刚性比阳极容器更高的材质，例如不锈钢、耐热钢、陶瓷等。刚性容器10具有：有底筒部81，其以覆盖阳极容器2的底面及侧面的状态收容阳极容器2；环状突起部82，其从该有底筒部81的上端部向内侧方向伸出且伸出至阳极容器2的筒部21的上端部的上方。当阳极容器2发生热膨胀时，刚性容器10的环状突起部82与筒部21的上端部相抵接，由此限制阳极容器2在上下方向上伸长。

刚性容器10的内径比阳极容器2的内径大，形成为能够宽松插入阳极容器2的程度。例如，在将阳极容器2收容于有底筒部81中后，通过焊接等将环状突起部82安装在有底筒部81上。

另外，优选地，底盖22的底面面积的10％以上且50％以下的部分与刚性容器10相接触。若接触面积小于底盖22的底面面积的10％，则对底盖22的支撑不够充分，所以无法有效地防止底盖22发生变形。另一方面，若接触面积小于底盖22的底面面积的50％，则无法充分确保薄壁部72破裂时从阳极容器2排出的活性物质的流路。

若采用本实施方式的NaS电池1，则内压随着发生加热器异常、过放电等异常时的温度上升而上升以使薄壁部72破裂，从而能够防止固体电解质管4因内压上升而被破坏。因此，能够防止熔融金属钠和熔融硫磺直接接触，从而能够提高NaS电池1的安全性。另外，在底盖22上设置了薄壁部72，利用刚性容器10覆盖了阳极容器2，在阳极容器2和刚性容器10之间设置了在薄壁部72破裂的状态下与阳极容器2的内部连通的空隙部91、92，所以能够将薄壁部72破裂时从阳极容器2排出的活性物质保持在刚性容器10内。另外，阳极容器2的底面及侧面被刚性容器10的有底筒部81覆盖，即使从阳极容器2排出的活性物质的量变多，活性物质也只是从刚性容器10的上侧向刚性容器10的外部流出。通常，在将NaS电池1作为单电池且由多个单电池组合成模块电池的情况下，这些单电池收容在绝热容器内，在绝热容器的内底面铺设有用于控制电池温度的加热器，并在单电池之间及单电池的上部充填有充填砂。若采用本实施方式的NaS电池1，则只从刚性容器10的上侧流出活性物质，所以能够防止与配置在绝热容器的内底面的加热器发生短路，而且，由于流出的活性物质被在电池上部铺满的充填砂捕捉，所以通过从电池上部进行观察，就能够容易地确定流出了活性物质的单电池。

另外，NaS电池1在工作时加热至300-350℃，在停止工作时通过放置冷却来被冷却。由软金属制作的阳极容器2的热膨胀率比由β-氧化铝制作的固体电解质管4的热膨胀率更高，所以在NaS电池1工作时阳极容器2和固体电解质管4的下端部之间的空隙扩大，而在停止工作时该空隙缩小。在NaS电池1工作时处于熔融状态的多硫化钠(Na₂S_x)冷却至240℃左右就会被固化，在阳极容器2和固体电解质管4的下端部之间的空隙形成固体相，所以在不存在刚性容器10的情况下，降温时阳极容器2无法收缩至原尺寸。因此，若重复着工作-停止，则阳极容器2逐次在轴线方向上伸长，这可能会使与电极端子的连接等发生不良，而且由于在降温时对固体电解质管4施加大的应力，所以存在固体电解质管4会被破损的危险。

在本实施方式的NaS电池1中，阳极容器2的外侧被刚性容器10覆盖，所以通过该刚性容器10，能够抑制阳极容器10在重复加热冷却时如上所述那样在轴线方向上伸长。而且，通过缩径部73的变形，来吸收当降温时施加至阳极容器10的应力。因此，在NaS电池1中，不会因阳极容器10在轴线方向上伸长而与电极端子的连接等发生不良。而且，通过缩径部73的变形来可以吸收掉施加至阳极容器10的应力，所以固体电解质管4不会受到降温时使阳极容器10收缩的应力而被强力地压缩，所以能够防止固体电解质管4在降温时遭受破损。

Claims

1.一种钠硫电池，其特征在于，

具有：

阳极容器，其由铝或铝合金制作，具有筒部和堵塞该筒部的下端部的底盖，并收容筒状有底的固体电解质管、充填在该固体电解质管的内侧的钠、充填在该固体电解质管的外侧的硫磺，

刚性容器，其刚性比上述阳极容器更高，收容上述阳极容器；

在上述阳极容器和上述刚性容器之间具有空隙部，

上述阳极容器的底盖具有压力释放部，该压力释放部受到内部压力而被破裂，所述内部压力是指当上述阳极容器的内部温度在444℃以上且660℃以下的范围内时的内部压力，

在上述压力释放部破裂的状态下，上述空隙部和上述阳极容器的内部相连通。

2.根据权利要求1所述的钠硫电池，其特征在于，

上述刚性容器具有：

有底筒部，其以覆盖上述阳极容器的底面及侧面的状态收容上述阳极容器，

环状突起部，其从该有底筒部的上端部向内侧方向伸出且伸出至上述阳极容器的筒部的上端部的上方；

在上述阳极容器发生热膨胀时，上述环状突起部与上述筒部的上端部相抵接，限制上述阳极容器在上下方向上伸长。

3.根据权利要求2所述的钠硫电池，其特征在于，上述压力释放部的壁厚比上述底盖的其他部分的壁厚更薄。

4.根据权利要求2所述的钠硫电池，其特征在于，上述阳极容器的底盖的底面面积的10％以上且50％以下的部分与上述刚性容器相接触。

5.根据权利要求3所述的钠硫电池，其特征在于，上述阳极容器的底盖的底面面积的10％以上且50％以下的部分与上述刚性容器相接触。

6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的钠硫电池，其特征在于，上述阳极容器的筒部具有内径比该筒部的其他部分的内径更小的缩径部。