CN202930503U - 一种大容量钠氯化镍单体平板电池及其电池组 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及大容量钠氯化镍单体平板电池及其电池组；但电池由两个负极腔室、一个正极腔室以及正负极接线柱组成，正极腔室位于两个负极腔室之间；负极腔室从外到内依次为负极封盖、金属弹簧片、金属毡或石墨毡；正极腔室内填充正极层，集流体位于正极层中心贯穿整个正极层，正极腔室四周由正极密封环固定密封；正负极腔室之间通过固体电解质隔开；连接在集流体上的正极电极棒伸出正极密封环构成正极接线柱，负极电极棒伸出负极封盖，构成负极接线柱。电池组由内到外依次为单体电池、温度调节系统、电池组绝热层、电池组外壳以及整电池控制系统，其中单体电池的数量为2～100个。本实用新型的单体电池容量大，操作温度低；结构简单，制作方便，成本较低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电池及其电池组，更具体地说涉及一种大容量钠氯化镍单体平板电池及其电池组。
背景技术
钠氯化镍电池源于钠硫电池，与钠硫电池有诸多相似之处：如固体电解质均为β”-Al2O3，负极均为液态金属钠。不同之处在于正极，钠氯化镍电池以浸润在熔融NaAlCl4中的固态镍/氯化镍取代了钠硫电池中的液态硫/多硫化钠。钠氯化镍电池保留了钠硫电池大容量、高转换效率、无自放电等优点，还具备基于其自身化学组成的内在过充/过放保护功能。钠氯化镍电池整系统能量密度达120Wh/kg，功率密度达180W/kg，和锂离子电池相当。其使用寿命长，单体循环寿命大于3000次，电池组可达1800次。已有钠氯化镍电池在电动汽车上免维护稳定运行7年，行驶距离达112,000公里。负极钠是在电池循环过程中生成，钠氯化镍电池在放电状态下组装，操作方便。该电池可30分钟快速充至50％SOC。和钠硫电池相比，钠氯化镍电池避免了硫在高温时对电池组件的腐蚀，提高了电池的循环寿命和安全性能。钠氯化镍电池是目前唯一通过欧洲汽车工业协会（European Automotive Industry）和美国先进电池联合协会(USABC)所有安全测试的二次电池系统。钠氯化镍电池制备成本低于镍铬、镍氢和锂离子电池，并且整电池为免维护全密封结构，具有维护成本低的特点。
可钠氯化镍电池存在内阻随放电程度增加而增大的缺点。该电池的电阻来自以下三部分：负极及电池金属部件、氧化铝陶瓷管、正极。其中，前两部分电阻为固定值；而正极部分内阻会随放电程度增加而急剧增大，原因在于：1）正极腔内反应前沿会随放电的进行从陶瓷管内壁向中心集流体移动，从而导致正极部分内阻随着钠离子迁移距离的增加而增大；2）正极表面氯化镍层厚度也会随放电的进行而增加，导致正极部分内阻随着放电的进行而加大。目前钠氯化镍电池通常采用圆柱形陶瓷管，为保证电池能达到实际使用时所需功率密度，通常采用小管径（通常20~30mm）来减少正极厚度，以及将陶瓷电解质从圆管改成十字花形以增加陶瓷管和正极的接触面积，降低单位面积界面电阻，并且十字花陶瓷管可以减小正极厚度，缩短钠离子迁移路程。可是小管径将加大陶瓷管制备难度，限制实际制备过程中的管长（通常小于300mm），导致目前钠氯化镍电池体积偏小，单电池容量多在32~64Ah。如上所述，采用圆柱形或十字花形小管径陶瓷管不仅使得陶瓷成型和烧结制备工艺复杂，并导致单体电池容量偏低，限制了钠氯化镍电池的应用领域。同时管状陶瓷需要一定的壁厚来维持其 机械强度，一般在
1.5~2mm，从而加大了氧化铝陶瓷管的内阻，使得电池运行温度偏高（270~350℃）。因此，如何开发大容量钠氯化镍单体电池，进一步拓宽其应用领域，是目前钠氯化镍电池行业亟待解决的问题。
发明内容
本实用新型解决了现有技术中存在的问题与不足，提供一种大容量钠氯化镍单体平板电池，本实用新型还提供了一种大容量钠氯化镍平板电池组。
本实用新型的技术方案如下：一种大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于由两个负极腔室、一个正极腔室以及正负极接线柱组成，正极腔室位于两个负极腔室之间；其中，负极腔室从外到内依次由负极封盖（1）、金属弹簧片（2）、金属毡或石墨毡（3）组成；正极腔室内填充正极层（5），集流体（6）位于正极层中心，并贯穿整个正极层，正极腔室四周由正极密封环（7）固定密封；正负极腔室之间通过固体电解质（4）隔开；连接在集流体上的正极电极棒伸出正极密封环（7）构成正极接线柱，负极电极棒伸出负极封盖（1），构成负极接线柱。
本实用新型的大容量钠氯化镍单体平板电池，其电池容量为200Ah~2000Ah，远大于传统圆柱形钠氯化镍电池（32~64Ah）。电池正常工作温度介于220和300℃，低于传统圆柱形钠氯化镍电池操作温度（270~350℃）。
优选电池的形状为圆柱体、长方体或正方体。优选负极封盖（1）为陶瓷材料或金属材料，更优选氧化铝、氧化锆、不锈钢或镍。
优选所述金属弹簧片（2）为纯镍、镀镍不锈钢或镀镍铜；金属毡或石墨毡（3）选用纯镍毡、镀镍不锈钢毡、镀镍铜毡或石墨毡；金属弹簧片（2）及金属毡或石墨毡（3）形状均随电池形状变化，为圆形或方形，其中金属弹簧片（2）可达到金属毡或石墨毡（3）与固体电解质(4)紧密接触的目的。
优选固体电解质（4）为圆形、正方形或长方形薄片；厚度在0.1mm~2mm，优选0.5~1mm，面积为12463~81714mm2；材料是铝酸钠。
优选正极层（5）由NaAlCl4-NaCl-多孔镍构成。优选正极密封环（7）为陶瓷材料，更优选α-Al2O3或ZrO2，其形状随电池形状变化。优选所述的正负电极棒和集流体（6）均选用镍或镀镍金属（其中镀镍金属的金属优选为铜、银或不锈钢）。
其中所述的负极电极棒与负极封盖（1）之间的密封由热压扩散焊接或激光焊接工艺实现；正极电极棒与正极密封环（7）之间的密封由热压扩散焊接工艺实现。
所述的固体电解质（4）与正极密封环（7）之间的密封通过玻璃封接工艺或陶瓷封接工艺实现。
所述的正极密封环（7）与负极封盖（1）之间的密封由热压扩散焊接或玻璃/陶瓷封接工艺实现。
本实用新型还提供了一种大容量钠氯化镍平板电池组，由内到外依次为上述的大容量钠氯化镍单体平板电池简称为单体电池（11）、温度调节系统（12）、电池组绝热层（10）、电池组外壳（8）以及整电池控制系统（9），其中单体电池的数量为2～100个。
优选所述的电池组形状为圆柱形或长方形；所述的电池组绝热层为二氧化硅气凝胶绝热层、陶瓷毡绝热层或玻璃纤维绝热层；所述的电池组外壳为低碳钢、纯镍或镀镍不锈钢；所述的电池组内部工作温度在220℃-300℃之间，由温度控制系统调节。
有益效果：
用片状固体电解质取代管状电解质，可在不增加正负极之间的传输距离，即不增加正极部分内阻的情况下，通过增加平板电解质面积来制备大容量钠氯化镍单体电池（200~2000Ah）。同时，片状固体电解质可以做的更薄(小于1mm)，进一步降低电解质部分内阻从而降低操作温度（220-300℃），有利于降低电池的运行成本。整个电池在常温条件下制作而成，操作简单，负极金属钠通过电池循环在负极腔室中原位生成。单体电池的平板结构使得其在成组时具备组合方便的优点。
本实用新型的大容量钠氯化镍单体平板电池，除具有一般钠氯化镍电池耐过充/过放，使用寿命长，安全性能好等优点外，还具备以下特点：单体电池容量大，为200Ah~2000Ah，远大于传统圆柱形钠氯化镍电池（32~64Ah）；操作温度区间为220~300℃，低于传统圆柱形钠氯化镍电池操作温度（270~350℃）；结构简单，制作方便，成本较低等。本电池可作为油电混合车、公交系统、船舶和潜艇的动力能源，也可用作储能电池，在城市电网、风力发电和太阳能发电中有着极为广阔的应用前景。
附图说明
图1为本实用新型中单体电池剖面结构示意图，其中，1-负极封盖2-金属弹簧片3-金属毡或石墨毡4-固体电解质5-正极层6-集流体7-正极密封环；
图2为本实用新型中电池组结构示意图，其中，8-电池组外壳9-控制系统10-绝热层11-单体电池12-温度调节系统。
具体实施方式
下面结合实施例来进一步说明本实用新型，但本实用新型范围不限于下面的实施例。
实施例1
本实用新型的大容量钠氯化镍单体电池（其结构如图1所示），主要包括两个负极腔室和一个正极腔室以及正负极接线柱，正极腔室位于两个负极腔室之间。其中，负极腔室从外到内依次由负极封盖、金属弹簧片、金属毡或石墨毡组成；正极腔室填充NaAlCl4-NaCl-多孔镍正极层，集流体位于正极层中心，并贯穿整个正极层，正极腔室四周由正极密封环固定密封。正负极腔室之间通过固体电解质(直径126mm，厚度0.1mm)隔开。金属弹簧片、石墨毡与固体电解质之间紧密贴合，形成毛细管空隙，循环过程中产生的熔融金属钠在毛细作用下浸润整个固体电解质，正电极棒连接集流体，伸出正极密封环，负极电极连通负极腔室，伸出负极封盖。电池的形状为圆形，所述的负极封盖为不锈钢，金属弹簧片为镍，集流体为镀镍铜，正负极电极棒为镍，固体电解质截面为圆形，材料是铝酸钠，片状固体电解质可降低加工难度，减小电阻和正极传输距离，提高电池的比能量和比功率。正极密封环为α-Al2O3。正极电极棒与正极密封环之间的密封以及负极封盖与正极密封环之间通过扩散焊接密封，负极电极棒与负极封盖之间通过激光焊接连接，固体电解质与正极密封环之间通过玻璃封接完成。250℃下，电池20A放电能持续10h,容量为200Ah。该单体电池循环1000次后容量为180Ah，容量保持率90%。单体电池储能量为0.516kWh。
实施例2
本实用新型的大容量钠氯化镍单体电池，主要包括两个负极腔室和一个正极腔室以及正负极接线柱，正极腔室位于两个负极腔室之间。其中，负极腔室从外到内依次由负极封盖、金属弹簧片、金属镍毡组成；正极腔室填充NaAlCl4-NaCl多孔镍正极层，集流体位于正极层中心，并贯穿整个正极层，正极腔室四周由正极密封环固定密封。正负极腔室之间通过固体电解质(边长286mm，厚度2mm)隔开。金属弹簧片、金属镍毡与固体电解质之间紧密贴合，形成毛细管空隙，循环过程中产生的熔融金属钠在毛细作用下浸润整个固体电解质，正电极棒连接集流体，伸出正极密封环，负极电极连通负极腔室，伸出负极封盖。电池的形状为圆形，所述的负极封盖为氧化铝，金属弹簧片为镀镍铜，集流体为镍，正负极电极棒为镀镍不锈钢，固体电解质截面为圆形，材料是铝酸钠。正极密封环为ZrO2。220℃下，电池200A放电持续10h,容量为2000Ah。该单体电池循环1000次后容量为1800Ah，容量保持率90%。单体电池储能量为5.42kWh。
实施例3
如图2所示，一种大容量钠氯化镍电池组，内部由16个实施例1的单体电池以4并4串的连接模式组成，即整个电池组由4串小电池组并联组成，其中每串小电池组由4只单体电池串联而成，电池外部依次配有温度调节系统、电池组绝热层、电 池组外壳，最外面是整电池控制系统。该电池在260°C运行时，开路电压为10.3V，容量为800Ah，储能量为8kWh。
实施例4
如图2所示，本实用新型中的大容量钠氯化镍电池组，由内到外依次为实施例1所述的单体电池，温度调节系统、电池组绝热层、电池组外壳以及整电池控制系统，其中单体电池数量为100个，连接方式为串联。所述的电池组形状为圆柱形；所述的电池组绝热层为二氧化硅气凝胶绝热层；所述的电池组外壳为低碳钢；所述的电池组内部工作温度在220℃-300℃之间，由温度控制系统调节。该电池组在300℃运行时，开路电压为258V，容量为200Ah,储能量为51.6kWh。
实施例5
如图2所示，本实用新型中的大容量钠氯化镍电池组，由内到外依次为实施例2所述的单体电池，温度调节系统、电池组绝热层、电池组外壳以及整电池控制系统，其中单体电池数量为10个，连接方式为串联。所述的电池组形状为圆柱形；所述的电池组绝热层为陶瓷毡绝热层；所述的电池组外壳为镍；所述的电池组内部工作温度在220℃-300℃之间，由温度控制系统调节。该电池组在220℃运行时，开路电压为26V，容量为2000Ah,储能量为54.18kWh。
Claims (9)
1.一种大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于由两个负极腔室、一个正极腔室以及正负极接线柱组成，正极腔室位于两个负极腔室之间；其中，负极腔室从外到内依次由负极封盖（1）、金属弹簧片（2）、金属毡或石墨毡（3）组成；正极腔室内填充正极层（5），集流体（6）位于正极层中心，并贯穿整个正极层，正极腔室四周由正极密封环（7）固定密封；正负极腔室之间通过固体电解质（4）隔开；连接在集流体上的正极电极棒伸出正极密封环（7）构成正极接线柱，负极电极棒伸出负极封盖（1），构成负极接线柱。
2.根据权利要求1所述的大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于电池容量为200Ah~2000Ah；电池正常工作温度介于220~300℃。
3.根据权利要求1所述的大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于电池的形状为圆柱体、长方体或正方体。
4.根据权利要求1所述的大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于所述的负极封盖（1）为陶瓷材料或金属材料；所述的金属弹簧片（2）选用纯镍、镀镍不锈钢或镀镍铜，金属毡或石墨毡（3）选用纯镍毡、镀镍不锈钢毡、镀镍铜毡或石墨毡，金属弹簧片（2）及金属毡或石墨毡（3）形状均随电池形状变化。
5.根据权利要求1所述的大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于所述的固体电解质（4）为圆形、正方形或长方形薄片，厚度在0.1mm~2mm，面积为12463~81714mm2；材料是铝酸钠。
6.根据权利要求1所述的大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于所述的正极层（5）由NaAlCl4-NaCl-多孔镍构成；所述的正极密封环（7）为陶瓷材料，其形状随电池形状变化。
7.根据权利要求1所述的大容量钠氯化镍单体平板电池，其特征在于所述的正负电极棒和集流体（6）均选用镍或镀镍金属。
8.一种大容量钠氯化镍平板电池组，其特征在于：由内到外依次为权利要求1所述的单体电池（11）、温度调节系统（12）、电池组绝热层（10）、电池组外壳（8）以及整电池控制系统（9），其中单体电池的数量为2～100个。
9.根据权利要求8所述的大容量钠氯化镍平板电池组，其特征在于所述的电池组形状为圆柱形或长方形；所述的电池组绝热层为二氧化硅气凝胶绝热层、陶瓷毡绝热层或玻璃纤维绝热层；所述的电池组外壳为低碳钢、纯镍或镀镍不锈钢；所述的电池组内部工作温度在220℃-300℃之间。
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