CN205960040U - 一种液态金属电池的绝缘密封结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种液态金属电池的绝缘密封结构，包括带孔的金属盖板和穿过所述孔的金属棒，在金属盖板和金属棒之间设有绝缘陶瓷密封件，所述绝缘陶瓷密封件为环形并且具有第一环形部和第二环形部，金属棒穿过绝缘陶瓷密封件，第一环形部与金属盖板外表面和金属棒接触，第二环形部与所述孔的周壁和金属棒接触，在绝缘陶瓷密封件与金属棒和金属盖板的接触面有金属钎料层。通过钎焊方式实现电池关键部位的绝缘密封，有效简化了密封结构，保证电池具有良好的密封性。使得液态金属电池具有易成组，单体体积大幅减小。
Description
技术领域
本实用新型属于储能电池技术领域，具体涉及一种液态金属电池的绝缘密封结构。
背景技术
液态金属电池属于一种高温电池，运行时正负极均为液态金属，电解质为熔融态的无机盐，电池正负极材料和熔融盐由于密度不同而互不相容，实现自动分层，熔盐处于中间层将正极和负极隔开。目前液态金属电池运行已很稳定，但应用于大规模电网储能，电池单体的结构设计仍待完善。
液态金属电池的内部电极材料和熔盐化学性质非常活泼，极易与空气中的水和氧发生反应而使电池失效，因此选择合适的密封技术对于延长电池的运行寿命和改善电池的性能具有重要的意义。
电池的密封主要受限于高温运行的环境，目前液态金属电池采用的密封技术是用一段较长的金属筒将密封区域由高温区引出至室温环境中，如“用于液态和半液态金属储能电池的正极材料”（申请号201310131616.8）和“半液态金属电极储能电池”（申请号201310131587.5）中提到的，在“金属筒筒壁涂覆绝缘陶瓷层或者在金属筒内加装绝缘陶瓷管”实现正极和负极之间的绝缘密封，这种设计结构复杂，大大增加了电池单体的体积，阻碍了电池的成组研究，同时也大量耗费了电池的成本。“一种液态金属电池”（申请号201510490014.0）中提到了使用密封胶进行液态金属电池的密封，但对密封胶的成分，耐高温性能以及绝缘防腐性能并未做多解释。
在选择合适的密封技术时要最大限度的减小电池单体的体积，为大规模的储能电组节省空间；考虑到电池内部的高温运行环境，电池负极材料和熔融电解质的化学性质非常活泼且具有一定的腐蚀性，因此选择的结构材料还应具有良好的耐腐蚀性能。
实用新型内容
为克服现有液态金属电池密封方法的缺陷，本实用新型的目的是提供一种液态金属电池的绝缘密封结构，以解决现有液态金属电池单体体积过大，密封不严密的问题。
本实用新型的技术方案为：一种液态金属电池的绝缘密封结构，包括带孔的金属盖板和穿过所述孔的金属棒，在金属盖板和金属棒之间设有绝缘陶瓷密封件，所述绝缘陶瓷密封件为环形并且具有第一环形部和第二环形部，金属棒穿过绝缘陶瓷密封件，第一环形部与金属盖板外表面和金属棒接触，第二环形部与所述孔的周壁和金属棒接触，在绝缘陶瓷密封件与金属棒和金属盖板的接触面有金属钎料层。
在一个具体实施方式中，所述第一环形部和第二环形部共轴线，第一环形部的外径大于第二环形部。
进一步的，所述绝缘陶瓷密封件沿轴向截面呈镜像对称的双L形。
所述钎料采用用于粘合陶瓷和金属的钎料。
优选的，金属钎料层厚度为1-200微米。
在金属钎料层与金属盖板和金属棒的接触面为合金层，在金属钎料层与绝缘陶瓷密封件的接触面为陶瓷-金属过渡层。
在一个具体实施方式中，金属盖板和金属棒所用金属材料的热膨胀系数与绝缘陶瓷密封件所用陶瓷材料的热膨胀系数相近或基本一致。
优选的，绝缘陶瓷密封件为氧化镁、氧化锆、氧化钇、氮化硼、氮化铝或氮化硅中的一种或两种的混合材料；金属盖板和金属棒采用铜、铜合金、铝、铝合金、奥氏体不锈铁或铁素体不锈铁。
在一个具体实施方式中，电池壳体和金属盖板通过激光焊接密封。
在一个具体实施方式中，金属盖板与电池正极相连，金属棒与负极材料相连。
绝缘陶瓷密封件对电极材料具有良好的耐腐蚀性能，并且它的结构设计使得不需要将密封区域由高温区引出至室温环境中。通过钎焊方式实现电池关键部位的绝缘密封，有效简化了密封结构，保证电池具有良好的密封性。使得液态金属电池具有结构简单，易成组，单体体积大幅减小，节省空间，密封良好，耐高温，结构材料耐腐蚀，电池寿命延长，成本低廉。
附图说明
附图1为本实用新型一个具体实施方式的纵向剖视图。
其中，1-负极引出端；2-绝缘陶瓷密封件，2.1-第一环形部，2.2-第二环形部；3-金属钎料层；4-金属盖板；5-电池壳体；6-金属棒；7-负极材料；8-电解质；9-正极材料。
具体实施方式
以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型一个具体实施方式的液态金属电池的绝缘密封结构，包括带孔的金属盖板4和金属棒6，在金属盖板4和金属棒6之间设有绝缘陶瓷密封件2。金属棒6穿过金属盖板4的中心圆孔通过绝缘陶瓷密封件2实现正负极之间的绝缘。
金属盖板4可以与电池正极或负极相连，金属棒6可以与负极材料或正极材料相连。在如图1所示实施例中，金属盖板4与电池正极相连，金属棒6与负极材料7相连。
在如图1所示实施例中，正极材料9、电解质8、负极材料7设于电池壳体5内。采用金属多孔材料（例如多孔泡沫铁镍合金） 位于电解质8 内，并吸附有负极材料7。
电池壳体5和金属盖板4通过激光焊接密封，实现电池的整体密封。负极引出端1与金属棒6顶端通过螺纹旋紧，防止负极集流器的摩擦损坏。
绝缘陶瓷密封件2为环形并且具有第一环形部2.1和第二环形部2.2。金属棒6穿过绝缘陶瓷密封件2。第一环形部2.1与金属盖板4外表面和金属棒6接触。第二环形部2.2与所述孔的周壁和金属棒6接触。
作为绝缘陶瓷密封件2具体结构，第一环形部2.1和第二环形部2.2共轴线，第一环形部2.1的外径大于第二环形部2.2。如图1，绝缘陶瓷密封件2沿轴向截面呈镜像对称的双L形。
在绝缘陶瓷密封件2与金属棒6和金属盖板4的接触位置涂覆有一层致密的金属钎料层3用以保证钎焊的严密性。
钎焊过程中，钎料在陶瓷表面的良好润湿性是实现有效冶金连接的前提。但由于陶瓷材料与金属材料表面结构不同，可以采用现有的用于粘合陶瓷和金属的钎料，例如在钎料中添加Cu、Ti、Zr、Ni、Ag、Sn、Cr、Al、Mo、Si中的两种或两种以上金属。
加入有机溶剂制成膏状钎料涂覆在绝缘陶瓷密封件2、金属棒6和金属盖板4的连接表面，采用夹具固定，将三者紧密连接，使得钎料填满钎缝。
金属钎料层3的厚度直接影响着钎焊的力学性能，过厚的钎料层会降低钎焊接头的强度，对电池的堆垛和连接造成影响，因此控制钎料层厚度为1-200微米。
将钎焊件放入加热炉中，通过加热焊件完成焊接。在高温条件下对钎焊件保温一定时间使得活性钎料和母材充分浸润，高温下活性钎料在与金属盖板4和金属棒6的接触面形成合金，在绝缘陶瓷密封件2表面，钎料与陶瓷互相渗透发生化学反应，生成一层陶瓷-金属过渡层，该过渡层能够有效实现陶瓷-金属之间的紧密连接。
负极材料7一般为活泼的碱金属或碱土金属材料，化学性质活泼，电池的高温运行环境更是显著增强负极材料的化学活性。因此选用的绝缘陶瓷应具有一定的化学稳定性和相当的机械强度。本实施例中使用的绝缘陶瓷密封件2为氧化镁、氧化锆、氧化钇、氮化硼、氮化铝或氮化硅中的一种或两种的混合材料。
一般来说，金属和陶瓷的热膨胀系数相差较大，在焊接加热和焊后冷却的过程中会发生较大程度的膨胀和收缩，从而在连接区域产生很大的内应力，甚至导致焊接裂纹和断裂。因此，选择的陶瓷与金属棒6和金属盖板4三者之间应尽可能具有一致的热膨胀系数，本实施例中使用的金属盖板4和金属棒6为铜、铜合金、铝、铝合金、奥氏体不锈铁或铁素体不锈铁中的一种。
Claims (10)
1.一种液态金属电池的绝缘密封结构，包括带孔的金属盖板和穿过所述孔的金属棒，其特征在于在金属盖板和金属棒之间设有绝缘陶瓷密封件，所述绝缘陶瓷密封件为环形并且具有第一环形部和第二环形部，金属棒穿过绝缘陶瓷密封件，第一环形部与金属盖板外表面和金属棒接触，第二环形部与所述孔的周壁和金属棒接触，在绝缘陶瓷密封件与金属棒和金属盖板的接触面有金属钎料层。
2.根据权利要求1所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于所述第一环形部和第二环形部共轴线，第一环形部的外径大于第二环形部。
3.根据权利要求1或2所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于所述绝缘陶瓷密封件沿轴向截面呈镜像对称的双L形。
4.根据权利要求1所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于所述钎料采用用于粘合陶瓷和金属的钎料。
5.根据权利要求1或4所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于金属钎料层厚度为1-200微米。
6.根据权利要求1或4所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于在金属钎料层与金属盖板和金属棒的接触面为合金层，在金属钎料层与绝缘陶瓷密封件的接触面为陶瓷-金属过渡层。
7.根据权利要求1、2或4所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于金属盖板和金属棒所用金属材料的热膨胀系数与绝缘陶瓷密封件所用陶瓷材料的热膨胀系数相近或基本一致。
8.根据权利要求7所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于绝缘陶瓷密封件为氧化镁、氧化锆、氧化钇、氮化硼、氮化铝或氮化硅中的一种或两种的混合材料；金属盖板和金属棒采用铜、铜合金、铝、铝合金、奥氏体不锈铁或铁素体不锈铁。
9.根据权利要求1或2所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于电池壳体和金属盖板通过激光焊接密封。
10.根据权利要求1、2或4所述的液态金属电池的绝缘密封结构，其特征在于金属盖板与电池正极相连，金属棒与负极材料相连。
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