CN206282940U - 一种液态金属电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出了一种液态金属电池，至少包括第一组件，所述第一组件包括第一壳体以及设置于所述第一壳体内的第一导电坩埚，所述第一导电坩埚内设有第一正极、第一负极及一端插设于第一负极上的第一负极引出棒，所述第一导电坩埚内装盛有第一电解物质，所述第一壳体顶部设有第一顶盖，所述第一顶盖中部设有绝缘部，所述第一负极引出棒竖直设置，其另一端从所述绝缘部内穿出，并与所述绝缘部绝缘。此结构的液态金属电池，在第一壳体内设置了起绝缘作用的第一导电坩埚，用于防止第一正极与第一壳体之间的合金反应。第一电解物质及第一正极均设置于第一导电坩埚内，其循环寿命更长，电池受外界的影响也较小，电池的管理也更为方便。

Description

一种液态金属电池

技术领域

本实用新型涉及电池领域，特别涉及一种液态金属电池。

背景技术

目前，由于石油等非再生能源的过度开采以及利用，已对人类生存环境造成严重的破坏，因此，人类对清洁可再生能源的发展极为重视，其中风力和光伏等能源受到广泛关注，但是由于风力、太阳能等存在强弱变化，造成其能量时强时弱，使得其供能时受到极大限制，因此，有必要对上述不稳定能量的稳定性进行研究。

通过研究发现，储能电池对不稳定能源的能量先进行储存然后平稳输出能够很大程度上提高能量的稳定传输，从而减少上述新型能源对其在并网发电时对电网的冲击。因此发展能够对风能、太阳能等能量进行储存并平稳输出的大规模储能技术显得尤为重要。目前主要的储能技术有物理储能和化学储能等。其中物理储能主要存在有飞轮储能、抽水储能和压缩空气储能等；化学储能主要有铅酸电池、锂离子电池、全钒液流电池、钠硫电池、超级电容器和锂空气电池等。其中化学储能由于其能量密度以及转换效率高、成本相对较低以及灵活方便等特点而成为目前大规模储能技术主要的研究方向。但是在大规模电网储能应用中，这些电池具有电池成本过高、安全性差等问题。如铅酸电池由于其循环寿命较短，其单周成本较高，而全钒液流电池受电解液、离子交换膜等关键材料的制约同时其生产成本偏高，锂离子电池在大规模储能中性能优异，但是其生产成本过高且存在安全性问题。因此在进一步提高现有储能技术、降低储能价格的基础上，开发出满足成本低廉、循环寿命长、安全性好以及原材料丰富等特点，适合风能、太阳能等能量存储的大规模电网储能新技术显得尤为重要。

近些年来，研究人员对液态金属电池展开相关研究，其表现为：熔融态金属作为电池正负极，无机熔盐作为电解质，在200至700℃的工作温度下熔融态正负极材料、熔盐电解质由于彼此间的密度不同以及不相容性而自动分层为自下而上存在的正极、电解质和负极。电池放电时负极金属失去电子，电子通过外电路做功迁移到正极，而负极金属离子通过熔盐迁移到正极并且与正极金属形成合金。充电过程则相反。这种特殊设计的电池具有库伦效率高、倍率性能好、循环寿命长、成本低廉等优点，能同时满足在能量和功率方面的应用，在解决风力、太阳能等发电并网储能方面具有广阔的应用前景。

然而，液态金属电池目前也存在一些缺陷，比如电池需要在高温下工作，电池内部正负极材料、电解质熔盐都处于液态，它们对于空气中水分、氧气极度敏感，是引起电池失效的一个主要原因，因此电池密封要求非常高。此外在高温下，熔融正负极以及熔盐对外壳、正负极绝缘陶瓷等电池各部件的腐蚀速率较快，特别是负极碱金属对绝缘陶瓷的腐蚀尤为剧烈，会导致电池的使用寿命大大缩短等。

综上所述，如何提供一种能有效提高液压金属电池的循环寿命、电池受外界影响小、电池的一致性更好以及电池的管理更为方便的液态金属电池，成了本领域技术人员亟需解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：提供一种能有效提高液压金属电池的循环寿命、电池受外界影响小、电池的一致性更好以及电池的管理更为方便的液态金属电池。

本实用新型的解决方案是这样实现的：本实用新型提出一种液态金属电池，至少包括第一组件，所述第一组件包括第一壳体以及设置于所述第一壳体内的第一导电坩埚，所述第一导电坩埚内设有第一正极、第一负极及一端插设于第一负极上的第一负极引出棒，所述第一导电坩埚内装盛有第一电解物质，所述第一壳体顶部设有第一顶盖，所述第一顶盖中部设有绝缘部，所述第一负极引出棒竖直设置，其另一端从所述绝缘部内穿出，并与所述绝缘部绝缘。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一壳体、第一负极引出棒及第一顶盖的材料为不锈钢或铜；所述第一导电坩埚的材质为二氧化锡导电坩埚；所述第一壳体的形状为圆柱体、正方体或多面体。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一负极还包括负极集流体，所述负极集流体的材质为多孔泡沫金属；所述第一正极的材质为可与碱或碱土金属形成合金的重金属；所述第一负极的材质为碱金属或镁，或者为碱金属、镁与钙金属的混合物。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一正极的材质包括金属锑和锡，且金属锑与锡的摩尔百分比为40：60；所述第一负极的材质为碱金属锂，且碱金属锂与金属锑的摩尔比例为3：1。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一电解物质为低熔点无机盐混合物、或为无机盐混合物和陶瓷粉末的共混物；或者，所述第一电解物质包括氟化锂、氯化锂和溴化锂混盐，三者之摩尔比例为10:25:65；所述负极集流体的材质为泡沫铁镍多孔材料。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述绝缘部的材质为陶瓷、微晶玻璃、无机盐、胶粘剂中的一种或一种以上；或者，所述绝缘部的材质为氧化锆陶瓷。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述陶瓷为氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或多种；所述微晶玻璃为氧化铋、氧化铜、氧化锌、氧化铝、氧化硼、二氧化硅中的一种或多种；所述无机盐为氟化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂、碘化锂、氯化钾、氯化钙、氯化钠中的一种或多种；所述胶粘剂为丙烯酸、环氧、聚氨酯、氧化铜、氧化铝中的一种或者一种以上。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述液态金属电池还包括设置于第一组件内的第二组件，所述第二组件包括第二壳体，所述第二壳体设置于所述第一壳体内，并与第一壳体绝缘，所述第二壳体内还设有第二导电坩埚，第二导电坩埚内设有第二正极、第二负极及一端插设于第二负极上的第二负极引出棒，所述第二导电坩埚内装盛有第二电解物质，所述第二负极引出棒竖直设置，其另一端与第一壳体的下端固定连接。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一壳体内设有台阶，所述台阶上设有绝缘环，所述第二壳体的下端设置于所述绝缘环上。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第二组件中的第二正极、第二负极、第二电解物质及第二导电坩埚分别与第一组件中的第一正极、第一负极、第一电解物质及第一导电坩埚的材质相同，所述绝缘环的材质为氮氧化铝陶瓷。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第二壳体的高度介于0至200mm之间。

附图说明

构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型一种储能电池的结构示意图；

图2为本实用新型另一种储能电池的结构示意图。

附图标记对应关系为：

1第一壳体 2第一导电坩埚 3第一正极

4第一电解物质 5第一负极 6第一负极引出棒

7第一顶盖 8绝缘部 9第二导电坩埚

10第二正极 11第二电解物质 12第二负极

13第二负极引出棒 14绝缘环 15第二壳体

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本实用新型的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。

本实用新型实施例如下，请参见图1和图2所示的液态金属电池，具体地，至少包括第一组件，所述第一组件包括第一壳体1和设置于第一壳体1内的第一导电坩埚2，第一导电坩埚2内设有第一正极3和第一负极5，第一负极5上设有第一负极引出棒6，第一导电坩埚2内还装盛有第一电解物质4，第一壳体1顶部设有第一顶盖7，第一顶盖7中部设有第一绝缘部8，第一负极引出棒6竖直设置，其一端插设于第一负极5上，别一端从绝缘部8内穿出，并与绝缘部8绝缘。此结构的液态金属电池，在第一壳体1内设置了起绝缘作用的第一导电坩埚2，用于防止第一正极3与第一壳体1之间的合金反应。第一电解物质4及第一正极3均设置于第一导电坩埚2内，与现有结构的液态金属电池相比，其循环寿命更长，电池受外界的影响也较小，电池的管理也更为方便。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，第一壳体1、第一负极引出棒6及第一顶盖7的材料均为不锈钢，更为具体地，不锈钢为430不锈钢，不锈钢的坚固性好，使用成本低。需要说明的是，在其它实施例中，第一壳体1、第一负极引出棒6及第一顶盖7的材料还可以为铜。第一导电坩埚2优选为二氧化锡导电坩埚。对于第一壳体1的形状，具体可以为圆柱形、可以为正方体结构，还可以为多面体结构，即第一壳体1的截面形状可以是圆形，也可以是正方形，还可以为多边形，如三角形、五边形等，在此不再一一列举。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，第一负极5具体还包括负极集流体，负极集流体的材质优选为多孔泡沫金属，具体材质多种多样，在此不作具体限定。第一正极3的材质优选为可与碱或碱土金属形成合金的重金属。对于第一负极5的材质，优选为碱金属或镁，或者为碱金属、镁与钙金属的混合物。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，第一正极3的材质包括金属锑和锡，且金属锑与锡的摩尔百分比为40：60。第一负极5的材质还可以为碱金属锂，且碱金属锂与金属锑的摩尔比例为3：1。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，对于第一电解物质4，优选为低熔点无机盐混合物、或为无机盐混合物和陶瓷粉末的共混物。在其它实施例中，第一电解物质4包括氟化锂、氯化锂和溴化锂混盐，三者之摩尔比例为10:25:65。对于负极集流体，其材质优选为泡沫铁镍多孔材料。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，对于绝缘部8，其材质优选为陶瓷、微晶玻璃、无机盐、胶粘剂中的一种或一种以上。在其它实施例中，绝缘部8的材质还可以为氧化锆陶瓷。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，对于陶瓷，优选为氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或多种。

对于微晶玻璃，优选为氧化铋、氧化铜、氧化锌、氧化铝、氧化硼、二氧化硅中的一种或多种。

对于无机盐，优选为氟化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂、碘化锂、氯化钾、氯化钙、氯化钠中的一种或多种。

对于胶粘剂，优选为丙烯酸、环氧、聚氨酯、氧化铜、氧化铝中的一种或者一种以上。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，如图2所示，液态金属电池还包括第二组件，第二组件与第一组件结构类似，第二组件设置于第一组件内，具体包括第二壳体15，第二壳体15设置于第一壳体1内，并与第一壳体1绝缘，第二壳体15内还设有第二导电坩埚9，第二导电坩埚9内设有第二正极10、第二负极12及一端插设于第二负极12上的第二负极引出棒13，第二负极引出棒13竖直设置，下端设置于第二负极12上，上端与第一壳体1的下端固定连接，连接方式优选为焊接。此外，第二导电坩埚9内装盛有第二电解物质11。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，如图2所示，第一壳体1内设有台阶，台阶形状可以圆环形，也可以为其它形状，具体视第一壳体1的内腔形状而定。台阶上设有绝缘环14，第二壳体15的下端设置于绝缘环14上。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，具体材质方面，第二组件中的第二正极10、第二负极12、第二电解物质11及第二导电坩埚9分别与第一组件中的第一正极3、第一负极5、第一电解物质4及第一导电坩埚2的材质相同，绝缘环14的材质优选为氮氧化铝陶瓷。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，如图2所示，对于第二壳体15的高度，优选介于0至200mm之间，可根据需要选择合适的高度。

需要说明的是，除第二组件外，还可以在第二组件的上部设置第三组件、第四组件等若干组件。液态金属电池的工作温度为480℃，双层组件式结构相比于单层组件，单个组件电池电压(约0.8V)可提高一倍(约1.6V)，相当于两个单层组件电池串联的电压，但是两层组件式电池相比于两个单层式电池串联具有更好的电池一致性，更少的外部影响因素，并且更便于电池管理；同时两层组件式电池结构上比两个单层式电池串联的成本更低；同时两层式电池结构上比两个单层式电池串联更节省体积，因此在大规模储能应用中有更大的体积成本优势。采用两层组件式结构方案的液态金属电池，其电化学性能更为优异，循环稳定性好，具有更为优异的循环寿命。相应地，三层组件式、四层组件式复合结构等在材料成本以及体积成本上有更大的优势。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种液态金属电池，其特征在于，至少包括第一组件，所述第一组件包括第一壳体(1)以及设置于所述第一壳体(1)内的第一导电坩埚(2)，所述第一导电坩埚(2)内设有第一正极(3)、第一负极(5)及一端插设于第一负极(5)上的第一负极引出棒(6)，所述第一导电坩埚(2)内装盛有第一电解物质(4)，所述第一壳体(1)顶部设有第一顶盖(7)，所述第一顶盖(7)中部设有绝缘部(8)，所述第一负极引出棒(6)竖直设置，其另一端从所述绝缘部(8)内穿出，并与所述绝缘部(8)绝缘。

2.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一壳体(1)、第一负极引出棒(6)及第一顶盖(7)的材料为不锈钢或铜；

所述第一导电坩埚(2)为二氧化锡导电坩埚；

所述第一壳体(1)的形状为圆柱体、正方体或多面体。

3.根据权利要求2所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一负极(5)还包括负极集流体，所述负极集流体的材质为多孔泡沫金属；

所述第一正极(3)的材质为可与碱或碱土金属形成合金的重金属；

所述第一负极(5)的材质为碱金属或镁，或者为碱金属、镁与钙金属的混合物。

4.根据权利要求2所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一正极(3)的材质包括金属锑和锡，且金属锑与锡的摩尔百分比为40：60；

所述第一负极(5)的材质为碱金属锂，且碱金属锂与金属锑的摩尔比例为3：1。

5.根据权利要求3所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一电解物质(4)为低熔点无机盐混合物、或为无机盐混合物和陶瓷粉末的共混物；

或者，所述第一电解物质(4)包括氟化锂、氯化锂和溴化锂混盐，三者之摩尔比例为10:25:65；

所述负极集流体的材质为泡沫铁镍多孔材料。

6.根据权利要求5所述的液态金属电池，其特征在于，所述绝缘部(8)的材质为陶瓷、微晶玻璃、无机盐、胶粘剂中的一种或一种以上。

7.根据权利要求6所述的液态金属电池，其特征在于，所述陶瓷为氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硼、碳化硅中的一种或多种；

所述微晶玻璃为氧化铋、氧化铜、氧化锌、氧化铝、氧化硼、二氧化硅中的一种或多种；

所述无机盐为氟化锂、氯化锂、溴化锂、碘化锂、碘化锂、氯化钾、氯化钙、氯化钠中的一种或多种；

所述胶粘剂为丙烯酸、环氧、聚氨酯、氧化铜、氧化铝中的一种或者一种以上。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的液态金属电池，其特征在于，所述液态金属电池还包括设置于第一组件内的第二组件，所述第二组件包括第二壳体(15)，所述第二壳体(15)设置于所述第一壳体(1)内，并与第一壳体(1)绝缘，所述第二壳体(15)内还设有第二导电坩埚(9)，第二导电坩埚(9)内设有第二正极(10)、第二负极(12)及一端插设于第二负极(12)上的第二负极引出棒(13)，所述第二导电坩埚(9)内装盛有第二电解物质(11)，所述第二负极引出棒(13)竖直设置，其另一端与第一壳体(1)的下端固定连接。

9.根据权利要求8所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一壳体(1)内设有台阶，所述台阶上设有绝缘环(14)，所述第二壳体(15)的下端设置于所述绝缘环(14)上。

10.根据权利要求9所述的液态金属电池，其特征在于，所述第二组件中的第二正极(10)、第二负极(12)、第二电解物质(11)及第二导电坩埚(9)分别与第一组件中的第一正极(3)、第一负极(5)、第一电解物质(4)及第一导电坩埚(2)的材质相同，所述绝缘环(14)的材质为氮氧化铝陶瓷。

11.根据权利要求8所述的液态金属电池，其特征在于，所述第二壳体(15)的高度介于0至200mm之间。