CN205141091U - 一种安全钠硫电池 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种安全钠硫电池，属于储能电池技术领域。本实用新型电池的储钠罐中存放有金属钠，所述储钠罐的底部连接有绝缘陶瓷环，所述绝缘陶瓷环的底部连接所述固态电解质陶瓷管的顶部，所述绝缘陶瓷环的外壁通过金属连接件与所述电池外壳的内壁连接。本实用新型储钠罐设置在固态电解质陶瓷管上方，使得在电池内部的陶瓷管发生破坏时，能够降低金属钠和硫瞬间剧烈反应的可能性，保持电池外部完整，避免活性物质泄漏、着火。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种电池，更具体地说，本实用新型涉及一种安全钠硫电池，属于储能电池技术领域。
背景技术
钠硫电池由于具有高能量密度、长使用寿命、原材料丰富等特点而被作为大规模电化学储能的技术之一，近年来钠硫电池的研发、中试、工程示范和商业推广受到了广泛关注。钠硫电池的安全性是其大规格产业发展过程中备受重视和尚待进一步改善的问题。钠硫电池的安全性需要通过提高单体电池安全性和模块及储能系统设计和控制手段等多方面共同改善，其中单体电池的安全性是影响储能系统安全性的至关因素。钠硫电池主要活性物质是金属钠和单质硫，陶瓷管在电池内部既是传导钠离子的固体电解质，也是将钠和硫分离开的固态隔膜，在300-350℃的工作温度下单体电池的安全隐患主要在于陶瓷管受外部影响或自身结构缺陷破裂后，熔融的金属钠和硫在没有隔膜情况下大量接触，并剧烈反应瞬间释放大量热能，破坏电池金属结构件，甚至引起活性物质泄漏、着火、电池短路等问题。
日本碍子株式会社和上海电气钠硫储能技术有限公司是国内外钠硫电池技术开发的主要企业，其公布的专利中钠硫电池都是将存储金属钠的容纳器放置于电池内的陶瓷管内部的结构：
日本碍子株式会社公布的钠硫电池结构方面的专利主要包括授权公告号为CN202423498U、CN202423500U、CN202423501U、CN202352789U、CN202534748U、CN202534703U的六项专利，所涉及的钠硫电池结构全部都是将钠容纳器和金属钠置于电池内部的陶瓷管内，钠容纳器将金属钠包含于内；在容纳器底部开小孔，顶部填充一定气压的保护气体氮气或氩气，以确保金属钠熔融后能够从容纳器中流出并填充容纳器和陶瓷管之间的间隙，通过小孔尺寸控制金属钠从容纳器中流出的速度，以防止陶瓷管破裂时金属钠和硫快速反应而瞬间释放大量热能，引起着火、电池外壳破坏、电池短路等安全问题。
上海电气钠硫储能技术有限公司公布的钠硫电池结构方面的专利主要包括申请公布告为CN103500855A、CN103531856A、授权公布号为CN102610867B的三项发明专利，所涉及的钠硫电池结构全部都是将“钠安全芯”或“储钠管”以及金属钠置于电池内部的陶瓷管内。
上述现有专利中的钠硫电池都是将金属钠及存储金属钠的容器设置于电池内部的陶瓷管内，硫电极在陶瓷管外围，以避免陶瓷管破裂后大量金属钠瞬间与硫接触并发生剧烈反应，这是控制单体电池安全性的现有方案，在严重情况下仍有可能破坏陶瓷管内的储钠容器导致大量金属钠瞬间与硫接触并发生剧烈反应。在钠硫电池研发初期，钠硫电池主要考虑作为电动汽车动力电池，将金属钠及其容器置于电池内部有利于防止撞击而引起金属钠溢出着火等安全问题；目前钠硫电池主要考虑作为固定场合的大规模储能系统应用，单体电池组成模块后受外部撞击直接导致破坏的可能性降低，电池随充放电次数增加引起破坏情况下的安全程度成为电池安全性能的主导方面。
实用新型内容
本实用新型旨在解决现有技术存储金属钠的容纳器放置于电池内的陶瓷管内部的结构不安全的问题，提供一种安全钠硫电池，使得在电池内部的陶瓷管发生破坏时，能够降低金属钠和硫瞬间剧烈反应的可能性，保持电池外部完整，避免活性物质泄漏、着火。
为了实现上述目的，本实用新型具体的技术方案如下：
一种安全钠硫电池，包括储钠罐、电池外壳以及固态电解质陶瓷管，其特征在于：所述储钠罐中存放有金属钠，所述储钠罐的底部连接有绝缘陶瓷环，所述绝缘陶瓷环的底部连接所述固态电解质陶瓷管的顶部，所述绝缘陶瓷环的外壁通过金属连接件与所述电池外壳的内壁连接；所述固态电解质陶瓷管的内部设置有负极集流体，所述负极集流体的顶部与所述储钠罐连接；所述储钠罐的底部设置有倾斜的小孔通道，将所述储钠罐内部的金属钠和所述固态电解质陶瓷管与所述负极集流体之间的间隙连通；所述电池外壳和所述固态电解质陶瓷管之间设置硫电极。
本实用新型所述固态电解质陶瓷管与所述负极集流体之间的间隙的宽度为0.5-3mm。
本实用新型所述的储钠罐的顶部设置有用于密封金属钠的电池顶盖。
本实用新型所述的电池外壳的底部设置有用于密封硫电极的电池底盖。
本实用新型所述的固态电解质陶瓷管的上端开口，下端为密封的圆底或者平底。
本实用新型带来的有益技术效果：
对比现有技术中的钠硫电池结构，本实用新型将现有的金属钠和储钠容器置于陶瓷管内部的结构变成金属钠和储钠容器置于陶瓷管以外，电池顶部的结构，这样的结构有两个方面的优势：
1、能够进一步保证电池安全。现有技术中钠硫电池的陶瓷管破坏后，钠和硫局部快速反应仍有可能破坏紧邻陶瓷管的储钠容器，引起大量金属钠和硫接触并发生反应，快速释放大量热量；尤其是储钠容器内存在一定气压的情况下，更容易将熔融金属钠压出储钠容器，与硫快速反应，破坏储钠容器甚至电池外壳。本实用新型由于将金属钠和储钠罐置于固态电解质陶瓷管以上，即使在固态电解质陶瓷管破裂情况下仍然能够很容易地保证储钠容器不受破坏，金属钠只能缓慢从储钠罐流出与电池内部的硫发生反应，从而能够控制反应的速度和释放热量的速度，避免电池温度过快升高，发生泄漏和着火等严重问题。
2、兼顾安全的同时能保证电池放电过程中金属钠的输送，对放电速度和深度有利。现有技术中金属钠置于陶瓷管内部的储钠容器中，随着放电过程的进行，金属钠由储钠容器流出导致液面不断下降，金属钠填充满储钠容器和陶瓷管之间的全部间隙越来越难，必须通过严格的气压控制和毛细管作用力才能够保证金属钠对陶瓷管表面的覆盖和润湿，否则将被迫降低放电速度和深度，这导致生产过程中对陶瓷管尺寸、储钠容器内外气压控制、毛细作用力的控制都有非常高的要求，对电池装配的成功率和电池均一性有较大影响。本实用新型由于将金属钠和储钠罐置于固态电解质陶瓷管以上，金属钠熔融后只需在重力作用下通过小孔通道流出储钠罐即可时刻填满固态电解质陶瓷管和负极集流体之间的间隙，保证放电过程中金属钠的及时供应和对固态电解质陶瓷管表面的覆盖与润湿，更容易保持放电的速度和深度。
附图说明
图1为本实用新型安全钠硫电池结构示意图；
图2为本实用新型安全钠硫电池局部结构放大示意图；
图3为本实用新型安全钠硫电池结构的325Ah钠硫电池在固态电解质陶瓷管破坏时电池外壳温度变化曲线图。
附图标记：1为储钠罐、2为电池外壳、3为固态电解质陶瓷管、4为金属钠、5为绝缘陶瓷环、6为金属连接件、7为负极集流体、8为小孔通道、9为硫电极、10为电池顶盖、11为电池底盖。
具体实施方式
实施例1
一种安全钠硫电池，包括储钠罐1、电池外壳2以及固态电解质陶瓷管3，所述储钠罐1中存放有金属钠4，所述储钠罐1的底部连接有绝缘陶瓷环5，所述绝缘陶瓷环5的底部连接所述固态电解质陶瓷管3的顶部，所述绝缘陶瓷环5的外壁通过金属连接件6与所述电池外壳2的内壁连接；所述固态电解质陶瓷管3的内部设置有负极集流体7，所述负极集流体7的顶部与所述储钠罐1连接；所述储钠罐1的底部设置有倾斜的小孔通道8，将所述储钠罐1内部的金属钠4和所述固态电解质陶瓷管3与所述负极集流体7之间的间隙连通；所述电池外壳2和所述固态电解质陶瓷管3之间设置硫电极9。
所述的负极集流体7为尺寸比固态电解质陶瓷管3内径略小的管材或棒材，材质为铝材、钢材或铜、合金等导电材料；所述的负极集流体7置于固态电解质陶瓷管3内部，上端与储钠罐1连接；所述的金属钠4容纳于储钠罐1内，放电过程中熔融金属钠4通过储钠罐1底部的小孔通道8流出并填充固态电解质陶瓷管3与负极集流体7之间的间隙，流出速度受小孔通道8尺寸控制（根据充放电速度，即金属钠需要的流速设置其尺寸），充电过程中金属钠4通过固态电解质陶瓷管3进入到固态电解质陶瓷管3与负极集流体7之间的间隙后通过小孔通道8流回至储钠罐1内。
实施例2
在实施例1的基础上：
优选的，所述固态电解质陶瓷管3与所述负极集流体7之间的间隙的宽度为0.5mm。
优选的，所述的储钠罐1的顶部设置有用于密封金属钠4的电池顶盖10。
优选的或者更进一步的，所述的电池外壳2的底部设置有用于密封硫电极9的电池底盖11。
优选的，所述的固态电解质陶瓷管3的上端开口，下端为密封的圆底或者平底。
实施例3
在实施例1的基础上：
优选的，所述固态电解质陶瓷管3与所述负极集流体7之间的间隙的宽度为3mm。
优选的，所述的储钠罐1的顶部设置有用于密封金属钠4的电池顶盖10。
优选的或者更进一步的，所述的电池外壳2的底部设置有用于密封硫电极9的电池底盖11。
优选的，所述的固态电解质陶瓷管3的上端开口，下端为密封的圆底或者平底。
实施例4
在实施例1的基础上：
优选的，所述固态电解质陶瓷管3与所述负极集流体7之间的间隙的宽度为1.8mm。
优选的，所述的储钠罐1的顶部设置有用于密封金属钠4的电池顶盖10。
优选的或者更进一步的，所述的电池外壳2的底部设置有用于密封硫电极9的电池底盖11。
优选的，所述的固态电解质陶瓷管3的上端开口，下端为密封的圆底或者平底。
实施例5
在实施例1的基础上：
优选的，所述固态电解质陶瓷管3与所述负极集流体7之间的间隙的宽度为2.1mm。
优选的，所述的储钠罐1的顶部设置有用于密封金属钠4的电池顶盖10。
优选的或者更进一步的，所述的电池外壳2的底部设置有用于密封硫电极9的电池底盖11。
优选的，所述的固态电解质陶瓷管3的上端开口，下端为密封的圆底或者平底。
实施例6
图1为本实用新型结构的安全钠硫电池结构示意图，其中固态电解质陶瓷管3、储钠罐1、电池外壳2都通过陶瓷绝缘环5连接，组成正负极分开的电池。其主要特点是绝大部分金属钠4都存储在电池顶部的储钠罐1内，金属钠4熔融后通过储钠罐1底部的两个孔径为1mm的小孔通道8流出，并填充满负极集流体7与固态电解质陶瓷管3之间的间隙，既能保持固态电解质陶瓷管3内表面一直有充足的钠覆盖，满足正常充放电需要，又可通过间隙大小控制固态电解质陶瓷管3破裂后能够与硫电极9中的单质硫直接接触的金属钠4的量，并可保护顶部的储钠罐1不易受热破坏。
图3为实物325Ah电池在陶瓷管破坏后电池表面温度变化曲线。图3中DEC2A-100号电池代表以本实用新型结构组装的一个钠硫电池实例。所述DEC2A-100号电池外壳表面绑定K型热电偶，正负极表面连接电流和电压测试线，放入保温炉中升温至350℃后开始充放电。在一次正常充电至接近充电末期时该电池电压快速下降，并且降温取出后电池外部完整，无泄漏和密封破坏情况，这是电池中固态电解质陶瓷管3破坏导致失效的明显特征，监测其失效前后电池表面温度变化情况能反映电池的安全程度。图3所示的T1为电池外壳中间高度位置测温点所得温度数据，T2为电池外壳顶部（接近金属钠从储钠罐流出点）位置测温点所得温度数据，由图中数据可以看出固态电解质陶瓷管3破坏后该电池表面温度由正常工作温度升高约20℃，最高温度在380℃左右，这一过程的温度升高是由固态电解质陶瓷管3破裂后固态电解质陶瓷管3与负极集流体7之间间隙中的金属钠4与硫直接接触反应释放的热量所导致；随着这一部分金属钠4快速消耗完毕，电池温度平缓下降，然后两次升至400℃左右，这一过程的温度升高是由储钠罐1中的金属钠4缓慢流出与其下面的硫反应释放热量所致。由这一实例中采用本实用新型结构的钠硫电池在固态电解质陶瓷管3破坏后电池表面温度升高只有50℃左右，不对电池结构件构成破坏，不引起活性物质泄漏和着火等问题，体现了非常高的安全性。
Claims (5)
1.一种安全钠硫电池，包括储钠罐（1）、电池外壳（2）以及固态电解质陶瓷管（3），其特征在于：所述储钠罐（1）中存放有金属钠（4），所述储钠罐（1）的底部连接有绝缘陶瓷环（5），所述绝缘陶瓷环（5）的底部连接所述固态电解质陶瓷管（3）的顶部，所述绝缘陶瓷环（5）的外壁通过金属连接件（6）与所述电池外壳（2）的内壁连接；所述固态电解质陶瓷管（3）的内部设置有负极集流体（7），所述负极集流体（7）的顶部与所述储钠罐（1）连接；所述储钠罐（1）的底部设置有倾斜的小孔通道（8），将所述储钠罐（1）内部的金属钠（4）和所述固态电解质陶瓷管（3）与所述负极集流体（7）之间的间隙连通；所述电池外壳（2）和所述固态电解质陶瓷管（3）之间设置硫电极（9）。
2.根据权利要求1所述的一种安全钠硫电池，其特征在于：所述固态电解质陶瓷管（3）与所述负极集流体（7）之间的间隙的宽度为0.5-3mm。
3.根据权利要求1所述的一种安全钠硫电池，其特征在于：所述的储钠罐（1）的顶部设置有用于密封金属钠（4）的电池顶盖（10）。
4.根据权利要求1或3所述的一种安全钠硫电池，其特征在于：所述的电池外壳（2）的底部设置有用于密封硫电极（9）的电池底盖（11）。
5.根据权利要求1所述的一种安全钠硫电池，其特征在于：所述的固态电解质陶瓷管（3）的上端开口，下端为密封的圆底或者平底。
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