CN206657844U - 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，包括第一壳体和设置于第一壳体上的第一顶盖，所述第一壳体内至少设有第一电池组，所述第一电池组包括第一导电坩埚，所述第一导电坩埚内设有第一正极和第一电解物，所述第一电解物内设有第一负极，所述第一负极上设有竖直设置的第一负极引出棒，所述第一负极引出棒的一端与所述第一顶盖绝缘设置。此结构的液态金属电池，在第一壳体内设置了起隔离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。第一电解物及第一正极均设置于第一导电坩埚内，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。

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

风力和光伏等可再生能源由于具有清洁无污染等优点受到广泛持续关注，但是由于风力、太阳能等极大地依赖自然环境，会随着天气、时间的不同而强弱变化，因此此类发电技术具有非连续且呈无规律变化的缺陷，这种缺陷是造成这类发电技术并网推广使用的最主要的障碍。而目前研究正热的储能技术能够平稳地输出能量，但是其能量是通过储存能量来实现，本身不能进行发电，因此将其与风力、光伏发电技术结合使用将能很好地利用几乎取之不尽的风能、太阳能等。因此发展能够对风能、太阳能等间歇式能源进行高效率储存并稳定输出的大规模储能技术显得尤为关键。目前主要的储能技术主要分为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，其能量转化率相对较低；化学储能主要有铅酸电池、全钒液流电池、钠硫电池和锂离子电池等，化学储能具有能量密度以及转换效率高、成本相对较低、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。但是在大规模储能应用中，这些电池各自都存在一定的问题。铅酸电池由于其正极活性材料二氧化铅在充放电过程中易于脱落导致其循环寿命较短，能量密度较低，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，同时钒具有很高的毒性且资源有限；钠硫电池高温下陶瓷的腐蚀以及破裂产生严重的安全隐患；锂离子电池在大规模储能中其电化学性能优异，但是其生产成本高且目前其安全性也是一个较大的挑战。因此在进一步完善现有储能技术、降低储能成本的基础上，开发出具备成本低廉、倍率性能好、循环寿命长、安全性好以及原材料丰富等优点，适合风能、太阳能等间歇式能源存储的大规模储能新技术非常重要。

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、电池的管理更为方便以及生产和使用成本更低的液态金属电池，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态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、电池的管理更为方便以及生产和使用成本更低的液态金属电池。

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内并式液态金属电池，包括第一壳体和设置于第一壳体上的第一顶盖，所述第一壳体内至少设有第一电池组，所述第一电池组包括第一导电坩埚，所述第一导电坩埚内设有第一正极和第一电解物，所述第一电解物内设有第一负极，所述第一负极上设有竖直设置的第一负极引出棒，所述第一负极引出棒的一端与所述第一顶盖绝缘设置。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一顶盖的两端与所述第一壳体的内壁连接，所述第一顶盖的中部设有第一绝缘部，所述第一负极引出棒的一端从所述第一绝缘部内穿出。

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，所述第一导电坩埚为二氧化锡导电坩埚；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，所述第一电解物包括氟化锂、氯化锂和溴化锂混盐，三者之摩尔比例为22:31:47；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，第一绝缘部的材质为陶瓷、微晶玻璃、无机盐、胶粘剂等其中的一种或一种以上。

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，所述第一壳体内至少还设有结构与所述第一电池组结构一致的第二电池组，所述第一电池组和第二电池组并列设置，所述第一壳体内还设有负极板，所述负极板的两端分别与所述第一壳体内腔绝缘设置，第一电池组上的第一负极引出棒和第二电池组上的第二负极引出棒分别与所述负极板固定连接，所述负极板上还设有第三负极引出棒，所述第三负极引出棒的一端从所述第一顶盖内穿出，并与所述第一顶盖绝缘设置。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一壳体内腔上还设有绝缘环，所述负极板的两端分别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，所述绝缘环的材质与所述第一绝缘部的材质相同。

本实用新型的另一技术方案在于在上述基础之上，所述液态金属电池至少还包括第二电池组，所述第二电池组和第一电池组并列设置，且第二电池组的结构与所述第一电池组的结构一致。

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。

附图1为本实用新型一种内并式液态金属电池的剖视结构示意图；

附图2为图1中电池组的剖视结构示意图；

图3为本实用新型另一种内并式液态金属电池的剖视结构示意图。

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 5 第一负极 6 第二导电坩埚

7 第二正极 8 第二电解物 9 第二负极

10 第一负极引出棒 11 第二负极引出棒 12 第三负极引出棒

13 绝缘环 14 负极板 15 第一顶盖

16 第一绝缘部 17 第二顶盖 18 第二绝缘部

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所示的液态金属电池，包括第一壳体1和设置于第一壳体1顶部的第一顶盖15，第一壳体1内至少设有第一电池组，第一电池组包括第一导电坩埚2，第一导电坩埚2内设有第一正极3和第一电解物4，第一正极3置于第一导电坩埚2的底部，第一电解物4包括电解质，第一电解物4内设有第一负极5，第一负极5上设有第一负极引出棒10，第一负极引出棒10的上端与第一顶盖15绝缘设置。此结构的液态金属电池，在第一壳体1内设置了起隔离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，如图1所示，第一顶盖15水平设置，第一顶盖15的两端与第一壳体1的内壁固定连接，具体可以为焊接，还可以螺接，还可以为其它任何可能的连接方式。第一顶盖15的中部设有通孔，第一绝缘部16设置于通孔内，第一绝缘部16内也设有穿出孔，第一负极引出棒10的上端从此穿出孔穿出，并固定设置于穿出孔内。

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10及第一顶盖15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10及第一顶盖15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，第一电解质4包括氟化锂、氯化锂和溴化锂混盐，三者之摩尔比例为22:31:47。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，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，第一壳体1内至少还设有结构与第一电池组结构相同的第二电池组，第二电池组与第一电池组并列设置，第一壳体1的上部还设有水平设置的负极板14，负极板14的两端分别与第一壳体1的内壁固定连接并绝缘设置，第二电池组包括第二导电坩埚6，第二导电坩埚6内设有第二正极7和第二电解物8，第二正极7置于第二导电坩埚6的底部，第二电解物8包括电解质，第二电解物8内设有第二负极9，第二负极9上设有第二负极引出棒11，第一负极引出棒10和第二负极引出棒11的上端分别与负极板14的下底面固定连接。而负极板14的上表面还设有第三负极引出棒12，第三负极引出棒12竖直设置，其下端与负极板14固定连接，上端从第一顶盖15内穿出，并与第一顶盖15绝缘设置。需要说明的是，第一壳体1内还可以设置更多电池组，可以为任何可能的数量，具体数量在此不作限定。

上述结构的液态金属电池，工作温度为500度，与现有结构的液态金属电池相比，具有更好的电流均匀性，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内腔上还设有绝缘环13，负极板14的两端分别设置于绝缘环13上，负极板14同时与第一壳体1、第一导电坩埚2和第二导电坩埚6绝缘。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，对于绝缘环13的材质，优选为第一绝缘部16和第二绝缘部18相同，即为陶瓷、微晶玻璃、无机盐、胶粘剂等其中的一种或一种以上。

在上述实施例的基础上，本实用新型另一实施例中，如图3所示，液态金属电池至少还包括第二电池组，第二电池组和第一电池组并列设置，并且第二电池组和第一电池组的结构一致，第二电池组内同样设置第二导电坩埚6、第二导电坩埚6内设置第二正极7、第二负极9，第二负极9上设有第二负极引出棒12，第一电池组上部的第一顶盖15与第二电池组上的第二顶盖17处于同一直线上，各部件所用材料也分别一致。需要说明的是，还可设置更多的电池组，在此不作具体限定。

上述结构的液态金属电池，加工成本更低，适合大规模储能运用，并且占用面积更小。

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 (12)

1.一种液态金属电池，其特征在于，包括第一壳体(1)和设置于第一壳体(1)上的第一顶盖(15)，所述第一壳体(1)内至少设有第一电池组，所述第一电池组包括第一导电坩埚(2)，所述第一导电坩埚(2)内设有第一正极(3)和第一电解物(4)，所述第一电解物(4)内设有第一负极(5)，所述第一负极(5)上设有竖直设置的第一负极引出棒(10)，所述第一负极引出棒(10)的一端与所述第一顶盖(15)绝缘设置。

2.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一顶盖(15)的两端与所述第一壳体(1)的内壁连接，所述第一顶盖(15)的中部设有第一绝缘部(16)，所述第一负极引出棒(10)的一端从所述第一绝缘部(16)内穿出。

3.根据权利要求2所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一壳体(1)、第一负极引出棒(10)及第一顶盖(15)的材料为不锈钢或铜；

所述第一壳体(1)的形状为圆柱体、正方体或多面体。

4.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。

5.根据权利要求3所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一导电坩埚(2)为二氧化锡导电坩埚；

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。

6.根据权利要求4所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一电解物(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(4)包括氟化锂、氯化锂和溴化锂混盐，三者之摩尔比例为22:31:47；

所述负极集流体的材质为泡沫铁镍多孔材料。

7.根据权利要求6所述的液态金属电池，其特征在于，第一绝缘部(16)的材质为陶瓷、微晶玻璃、无机盐、胶粘剂等其中的一种或一种以上。

8.根据权利要求7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。

9.根据权利要求2至7中任一项所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一壳体(1)内至少还设有结构与所述第一电池组结构一致的第二电池组，所述第一电池组和第二电池组并列设置，所述第一壳体(1)内还设有负极板(14)，所述负极板(14)的两端分别与所述第一壳体(1)内腔绝缘设置，第一电池组上的第一负极引出棒(10)和第二电池组上的第二负极引出棒(11)分别与所述负极板(14)固定连接，所述负极板(14)上还设有第三负极引出棒(12)，所述第三负极引出棒(12)的一端从所述第一顶盖(15)内穿出，并与所述第一顶盖(15)绝缘设置。

10.根据权利要求9所述的液态金属电池，其特征在于，所述第一壳体(1)内腔上还设有绝缘环(13)，所述负极板(14)的两端分别设置于所述绝缘环(13)上。

11.根据权利要求10所述的液态金属电池，其特征在于，所述绝缘环(13)的材质与所述第一绝缘部(16)的材质相同。

12.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，所述液态金属电池至少还包括第二电池组，所述第二电池组和第一电池组并列设置，且第二电池组的结构与所述第一电池组的结构一致。