CN202651299U - 一种提高功率和容量的钠电池 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种提高功率和容量的钠电池，包括壳体；悬置于所述壳体内的陶瓷管；填设于所述陶瓷管内的负极；插设于所述负极内并延伸至壳体外的负极触头；位于所述壳体和所述陶瓷管间的正极和第二电解质。陶瓷管为β”-Al2O3陶瓷管，第二电解质为NaAlCl4。相对传统的钠电池，本实用新型是将负极与正极和第二电解质的位置进行相应的调整，从而在负极与正极和第二电解质体积比保持不变的情况下，也即在钠电池容量恒定的情况下，降低正极了厚度，避免钠电池反应后期电阻值的大幅增加，进而在一定程度上提高了钠电池的功率，另还能在总体积不变的情况下提高钠电池的容量。

Description

一种提高功率和容量的钠电池
技术领域
本实用新型涉及一种钠电池，尤其是一种提高功率和容量的钠电池。
背景技术
钠电池的研究应用始于1960年，首先是FORD公司研究用于汽车上的钠硫电池，经过50年的发展，越来越多的电池生产商将钠电池商业化生产。现有钠电池根据反应物的不同可分为钠氯化物电池或钠硫电池，其中以钠氯化物电池为例，钠氯化物电池的高功率密度和高能量密度，使其在储能方面有着突出的表现。
如图1所示，钠氯化物电池的正极5a为可采用氯化钠、镍粉、氟化钠和硫化铁等物质组成的混合物，负极2a为液态金属钠，固体电解质为β”-Al2O3陶瓷材料，第二电解质4a为NaAlCl4。其中，该β”-Al2O3陶瓷管3a作为电解质兼隔膜，它是电绝缘体，但是对钠离子是导体，在正负极间可传递钠离子。钠电池包括径向截面为圆柱形或方形的壳体1a，该壳体1a内填充有作为负极2a的液态钠，该液态钠内插设有β”-Al2O3陶瓷管3a，该β”-Al2O3陶瓷管3a内填设有第二电解质4aNaAlCl4和正极5a，柱状的正极触头51a插设于第二电解质4aNaAlCl4和正极5a的混合组成物内并延伸至壳体1a外。由于β”-Al2O3陶瓷管3a在液态钠中无法固定且不能与壳体1a直接接触，为了稳定地安置β”-Al2O3陶瓷管3a，故在β”-Al2O3陶瓷管3a的上端开口处通过玻璃化SiO2粘结有α-Al2O3陶瓷密封盖6a，该α-Al2O3陶瓷密封盖6a上依次间隔并热压有与正极5a焊接连接的内镍环7a和与壳体1a焊接连接的外镍环8a，从而使得β”-Al2O3陶瓷管3a以类似于悬臂结构悬置于壳体1a中。其中，α-Al2O3陶瓷密封盖6a相对于β”-Al2O3陶瓷管3a来说是完全的电绝缘体，不允许钠离子的通过，实现电池的正极、负极的完全隔开；又因为镍材料对于NaAlCl4具有良好的抗腐蚀性，故内外镍环采用镍材料制成。
现有的钠氯化物电池均采用正极中心电极式结构，但是这将对钠氯化物电池的容量造成限制。当钠氯化物电池充放电时，以放电为例，电极反应首先发生在陶瓷管3a表面接触的部位，然后再朝电池的中心方向移动，而在这过程中，钠氯化物电池的电阻也将随之发生变化。如图2所示，X轴为放电深度(即放电量)，Y轴为钠氯化物电池电阻。当刚开始放电时，电阻值很小；随着反应层往电池的中心方向移动，电阻随之增大。因此，正极5a厚度不能太大(此处，正极厚度为陶瓷管3a的内径)，否则随着钠氯化物电池的放电，电阻将增加过大，从而影响钠氯化物电池的正常工作使用。为此，现有的钠氯化物电池中正极5a厚度一般小于25mm，也即保证钠氯化物电池放电后期时电阻不至于过大，然而这无形中限制了钠氯化物电池的单体容量，使得钠氯化物电池的实际容量受到限制，同时电池内阻的增加还导致钠氯化物电池的功率无法得到提高。
为了提高钠氯化物电池的容量和功率，现有方式为提高电极的反应面积，从而减少电阻，提高功率，具体方式为将陶瓷管3a的径向截面改进呈十字梅花形，但是，这样势必导致陶瓷管3a的应力分布不均，提高了制造工艺的难度，增加了生产成本。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种能提高自身功率和容量的钠电池。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高功率和容量的钠电池，包括壳体；悬置于所述壳体内的陶瓷管；填设于所述陶瓷管内的负极；插设于所述负极内并延伸至壳体外的负极触头；位于所述壳体和所述陶瓷管间的正极和第二电解质。
进一步设置为：所述壳体上设有供陶瓷管容设用的容置槽，该容置槽和陶瓷管同心设置，且该容置槽的内径与所述陶瓷管的外径之差为10-25mm。
进一步优选设置为：所述容置槽的内径与所述陶瓷管的外径之差为15mm。
采用上述技术方案，容置槽和陶瓷管的径向截面为圆形且同心设置，也即陶瓷管周围所接触的正极在厚度上是均匀的，如此，钠电池在反应过程中将始终保持一个稳定的反应功率。
进一步设置为：所述壳体和所述陶瓷管间设有陶瓷管支撑弹簧。
采用上述技术方案，通过陶瓷管支撑弹簧对陶瓷管的支撑，则原来处于悬挂状态的陶瓷管被抬起，也即陶瓷管和位于陶瓷管内第二电解质的重力被陶瓷管支撑弹簧所抵消，而且陶瓷管支撑弹簧的弹力范围为1-1.5倍陶瓷管和第二电解质的重力，使得陶瓷管被向上压紧于α-Al2O3陶瓷密封盖上，在一定程度上提高陶瓷管和α-Al2O3陶瓷密封盖间的密封性。由于陶瓷管和α-Al2O3陶瓷密封盖间玻璃化物质所承受的重力受到陶瓷管支撑弹簧弹力的抵消，从而减少了玻璃化物质因为重力而出现裂缝情况的发生，进一步延长了钠电池的使用寿命。
进一步设置为：所述壳体、陶瓷管和陶瓷管支撑弹簧均位于同一轴线上，所述陶瓷管支撑弹簧的一端与所述陶瓷管底部的外壁相抵靠，另一端与所述壳体底部的内壁相抵靠，所述陶瓷管底部的外壁和壳体底部的内壁间距离为5-50mm。
进一步优选设置为：所述陶瓷管底部的外壁和壳体底部的内壁间距离为35mm。
采用上述技术方案，陶瓷管底部的外壁和壳体底部的内壁间距离的距离不可太大或太小，如果太大，则不利于陶瓷管支撑弹簧工作时的稳定性，如果太小，则不利于发挥陶瓷管支撑弹簧的作用。
本实用新型的有益效果是：该陶瓷管为一端开口，另一端封闭的筒状结构，从而起到供第二电解质容置的作用。陶瓷管为β”-Al2O3陶瓷管，第二电解质为NaAlCl4。相对传统的钠电池，本实用新型是将负极与正极和第二电解质的位置进行相应的调整，从而在负极与正极和第二电解质体积比保持不变的情况下，也即在钠电池容量恒定的情况下，降低正极了厚度，避免钠电池反应后期电阻值的大幅增加，进而在一定程度上提高了钠电池的功率，另还能在总体积不变的情况下提高钠电池的容量。
附图说明
图1为传统钠电池的结构示意图。
图2为钠电池中放电深度和电阻值的XY散点图。
图3为本实用新型实施例的结构示意图。
图4为图3的A-A剖视图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述：
如图3、4所示，本实施例中正极2为氯化钠、镍粉、氟化钠和硫化铁等物质组成的混合物，负极5为液态金属钠，固体电解质为β”-Al2O3陶瓷管4，第二电解质3为NaAlCl4。陶瓷管4作为电解质兼隔膜，它是电绝缘体，但是对钠离子是导体，在正负极间可传递钠离子。本实施例包括截面为圆柱形的壳体1，该壳体1上开设有容置腔11，该容置腔11内填充有正极2和作为钠离子运动介质的第二电解质3NaAlCl4，该正极2和第二电解质3混合物中插设有β”-Al2O3陶瓷管4，该β”-Al2O3陶瓷管4内填设有负极5液态钠，该负极5液态钠中插设有负极触头51并延伸至壳体1外。在β”-Al2O3陶瓷管4的上端开口处通过玻璃化SiO2粘结有α-Al2O3陶瓷密封盖6，该α-Al2O3陶瓷密封盖6上依次间隔热压有与负极触头51焊接连接的内镍环7和与壳体1焊接连接的外镍环8，从而使得β”-Al2O3陶瓷管4悬置于壳体1中。其中，容置腔11、陶瓷管4和柱状负极触头51同心设置，该容置腔11的内径与陶瓷管4的外径之差为15mm。其中，正极还可以采用镍粉、氟化钠、硫化铁等物质组成的混合物。
α-Al2O3陶瓷密封盖6相对于β”-Al2O3陶瓷管4来说是完全的电绝缘体，不允许钠离子的通过；又因为镍材料对于NaAlCl4具有良好的抗腐蚀性，故内外镍环采用镍材料制成。壳体1和陶瓷管4间设有陶瓷管支撑弹簧9，壳体1底部的内壁和陶瓷管4底部的外壁间距离为35mm，且设有对陶瓷管4其支撑作用的陶瓷管支撑弹簧9，该壳体1、陶瓷管4和陶瓷管支撑弹簧9均位于同一轴线上，壳体1底部的内壁上设有供所述陶瓷管支撑弹簧9容置用的下容置坑(图中未画出)，陶瓷管4底部的外壁上设有供所述陶瓷管支撑弹簧9容置用的上容置坑(图中未画出)。
负极5位于陶瓷管4内，相对钠电池的结构位于钠电池的中央，故可称之为负极5置中；反之，则为正极置中。当负极5置中时，由于第二电解质3NaAlCl4具有较强的腐蚀问题，所以壳体1须采用纯镍板或者碳钢板成型后镀镍的方式。另外，所谓正极厚度为正极2在壳体1径向截面上沿径向所经长度值，该正极厚度直接影响着钠电池功率大小和稳定性。
本实用新型中，该陶瓷管4为一端开口，另一端封闭的筒状结构，从而起到供负极5容置。相对传统的钠电池而言，负极5的体积：正极2和第二电解质3之和的体积为1∶(1.8-2.5)，本例取体积比为1∶2，即负极5体积为70ml时，正极2和第二电解质3之和的体积为140ml。如果采用负极5为置中结构时，陶瓷管4长度为200mm，内径为20mm，壳体1长度为235mm，电池壳体1的内径为35mm，那么，此时正极2的电极厚度为13mm；如果采用正极2为置中结构时，陶瓷管4长度仍为200mm，壳体1长度仍为235mm，则电池壳体1内径仍为35mm，但是，陶瓷管内径将为31mm，也即正极厚度为31mm。那么，从上述计算中可推出，当钠电池上负极5置中较正极置中相比，在相同的负极与正极2和第二电解质3的体积比下，正极2厚度明显下降，故在钠电池工作过程中将有效降低电阻的增幅，从而提高钠电池工作时的功率及工作稳定性。采用负极5置中后，由于减少了电阻，故可以避免采用复杂的十字形陶瓷管结构来提高功率，有利于钠电池市场上的推广。

Claims (6)

1.一种提高功率和容量的钠电池，其特征是：包括
壳体；
悬置于所述壳体内的陶瓷管；
填设于所述陶瓷管内的负极；
插设于所述负极内并延伸至壳体外的负极触头；
位于所述壳体和所述陶瓷管间的正极和第二电解质。
2.根据权利要求1所述的提高功率和容量的钠电池，其特征是：所述壳体上设有供陶瓷管容设用的容置槽，该容置槽和陶瓷管同心设置，且该容置槽的内径与所述陶瓷管的外径之差为10-25mm。
3.根据权利要求2所述的提高功率和容量的钠电池，其特征是：所述容置槽的内径与所述陶瓷管的外径之差为15mm。
4.根据权利要求1所述的提高功率和容量的钠电池，其特征是：所述壳体和所述陶瓷管间设有陶瓷管支撑弹簧。
5.根据权利要求4所述的提高功率和容量的钠电池，其特征是：所述壳体、陶瓷管和陶瓷管支撑弹簧均位于同一轴线上，所述陶瓷管支撑弹簧的一端与所述陶瓷管底部的外壁相抵靠，另一端与所述壳体底部的内壁相抵靠，所述陶瓷管底部的外壁和壳体底部的内壁间距离为5-50mm。
6.根据权利要求5所述的提高功率和容量的钠电池，其特征是：所述陶瓷管底部的外壁和壳体底部的内壁间距离为35mm。
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