JPH01194274A - ナトリウム−イオウ電池の容器接合部の構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、陰、陽極活物質を収納密封する容器と１両容
器の絶縁材であるα−アルミナリングとの接合に係り、
特に、接合部に発生する熱応力を低減して強度上の信頼
性を向上するに好適なナトリウ１１−イオウ電池の接合
部の構造に関する。

〔従来の技術〕

従来は、陰極活物質の金属ナトリウムを収納密封する陰
極容器と、陽極活物質のイオウを収納密封する陽極容器
と、陰極容器と陽極容器との間に挿入される絶縁支持体
としてのα−アルミナリングとこのα−アルミナリング
の内側に上端が固着する円筒状のナトリウムイオン伝導
性の固体電解質管とからなり、α−アルミナリングと陰
極容器および陽極容器とのそれぞれの接合部にクラッド
材をクラッドしたインサート材を挿入して接合部を拡散
接合するナトリウム−イオウ電池の容器接合部の構造に
おいて、特開昭５２−６７７３３号公報には、固体電解
質管を接合した絶縁支持体に特定の○リングを介してそ
の両面にそれぞれ陰・陽極容器を配置し、これを加熱、
加圧して融着結合させる構造が示されている。

また、特願昭６０−２６４８４１号公報には、固体電解
質管に接合された絶縁支持体のα−アルミナリングと陰
・陽極容器との接合には、真空ブレ゛−ジング用ＡＱ−
８ｉ−Ｍｇクラッド材と純ＡＱより構成されるインサー
ト材をサンドイッチ状に積重ね。

インサート材の厚さを規定の厚さまでつぶして拡散接合
する構造が提案されている。

このインサート材の作用と接合強度を説明すると、イン
サート材を構成するクラッド材は純ＡＱより数℃から数
１０℃低い融点を有する合金層として表面を形成してい
る。接合を行なう温度ではインサート材本体の材質であ
る純ＡＱは固体のままの状態であるが、被接合材である
α−アルミナリングおよび前記クラッド材、つまり純Ａ
Ｑと容器の界面は液状になっている。このため、α−ア
ルミナリングおよび容器の接合部表面にクラッド材が速
やかに、かつ、均一に拡散して安定な拡散層が形成され
て高強度の金層−セラミック接合が得られる。しかし、
α−アルミナリングの熱膨張係数は８Ｘ１０″″Ｂ／℃
で通常の金属に比較して小さく、この接合部温度を室温
まで下げていく過程で熱応力が発生する。純ＡＱのイン
サート材はこの熱応力を吸収する目的で用いられる。

すなわち、接合温度付近では純ＡＱはその融点に近いた
めクリープし、室温＋１００’Ｃ−１５０℃の温度まで
発生する熱応力を吸収して緩和するので接合部の残留応
力が低下する。特に、小さな部品や形状的に熱歪みが小
さいものの接合の際には１以上の方法で十分な強度が得
られるが、ナトリウム−イオウ電池は充放電によって室
温から約３５０℃まで熱サイクルを繰返すので熱応力が
低減しない。

〔発明が解決しようとする課題〕

陰・陽極容器と絶縁支持体のα−アルミナリングとの接
合に関し、適正クラッド材の厚さを規定してその組合わ
せの中からより高い接合強度を確保しようとしているが
、接合部に作用する熱応力の低減の点については配慮が
されておらず、熱サイクルに対して接合寿命が低下する
問題があった。

本発明の目的は、陰・陽極容器と絶縁支持体のα−アル
ミナリングとの接合部に発生する熱応力を低減するナト
リウム−イオウ電池の接合部の構造を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

前記の目的を達成するため、本発明は、陰極活物質の金
属ナトリウムを収納密封する陰極容器と。

陽極活物質のイオウを収納密封する陽極容器と、陰極容
器と陽極容器との間に挿入される絶縁支持体のα−アル
ミナリングと、そのα−アルミナリングの内側に上端が
固着する円筒状のナトリウムイオン伝導性の固体電解質
管とからなり、α−アルミナリングと陰極容器および陽
極容器とのそれぞれの接合部にクラッド材で表面を形成
したインサート材を挿入してその接合部を拡散結合する
ナトリウム−イオウ電池の容器接合部の＊造において、
陰極容器および陽極容器のそれぞれの接合部端面にα−
アルミナリングに近似した熱膨張係数を有する金属リン
グを溶着してインサート材を介して拡散接合するように
構成される。

〔作用〕

本発明によれば、ナトリウム−イオウ電池の陰極、陽極
容器の接合端面に、絶縁支持体のα−アルミナリングに
近似した熱膨張係数を有する金属リングを溶着すること
によって、この金属リングとα−アルミナリングとの間
に挿入されるインサート材の熱変形が抑制できて熱応力
が低減する。

一方、陰・陽極容器の接合端面と金属リングとのそれぞ
れの溶着部は金属間接合なので十分な強度を有し熱応力
の負担を可能とする。

〔実施例〕

本発明の一実施例を第１図を参照しながら説明する。

ナトリウム−イオウ電池の全体構成は、陰極活物質の金
属ナトリウムを収納密封する円筒状の金属製の陰極容器
４と、陽極活物質のイオウを収納密封する円筒状金属製
の陽極容器２と、この外部電極となる陰極容器４と陽極
容器２との間に挿入される絶縁支持体としてのα−アル
ミナリング３と、このα−アルミナリング３の内側に上
端が固着する円筒状のβ−アルミナ等のナトリウムイオ
ン伝導性材質で製作される固体電解質管１とからなり、
α−アルミナリング３と陰極容器４およびＦＪＪ極容器
２とのそれぞれの接合部にクラッド材８で表面を形成し
たインサート材７を挿入して接合部を拡散結合する構造
において、陰極容器４および陽極容器２のそれぞれの接
合端面にα−アルミナリング３に近似した熱膨張係数を
有する金属リング９を溶着して、インサート材７を介し
て拡散接合される。

固体電解質管１の上部開口部はα−アルミナリング３に
ガラス半田等の接続剤で片持梁式に固定されて陽極容器
２の中に一定の間隙を保持して同軸に挿入配置されてい
る。

また、固体電解質管１と陰極容器４により密封された空
間部には陰極活物質の金属ナトリウムと多孔質の金属繊
維が充填してあり、これらによって陰極５が形成される
とともに、固体電解質管１と陽極容器２によって密封形
成された空間部には陽極活物質のイオウが浸された多孔
質のカーボンが充填してあり、これらによって陽極６が
形成される。なお、陰極５に充Ｊ９　Ｌだ金属繊維は固
体電解質管１が破壊した時に発生するナトリウムとイオ
ウとの急激な発熱応力を防止するためのナトリウム保持
材としての機能を有している。また、陽極６内に充填さ
れたカーボンはイオウに電子電導性を付与させるもので
ある。

なお、陰・陽極容器２，４とα−アルミナリング３との
接合は、純ＡＱのインサート材７の両面にＡＱ−５ｉ−
Ｍｇからなるクラッド材８を形成してそのインサート材
７を挿入して拡散接合している。この接合時には接合面
が４ケ所形成され、すなわち、α−アルミナリング３と
クラッド材８との接触面、クラッド材８とインサート材
７との接触面、インサート材７と容器側クラッド材８と
の接触面およびクラッド材８と容器との接合部である。

これらの面に約１ｋｇｆ／■２の圧力をかけた状態で接
合部温度を約５９０℃に保つとクラッド材８の表面に液
相部が発生し、純ＡＱの拡散層が容易に形成されて前記
接合面がすべて接合される。

インサート材として純ＡＱ以外の材料を用いる方法も可
能であるが一般に低温で拡散接合が可能な金属は高温で
の強度が低い問題があり、高温で拡散接合する金属を用
いた場合はナトリウム−イオウ電池の運転温度約３５０
℃で残留応力が発生するため好ましくない。純ＡＱイン
サート材を用いた熱圧接合の場合の接合温度と、電池運
転温度との差が約２５０℃であるため、残留応力、接合
強度の双方の面で良好な特性を得ることができる。

ナトリウム−イオウ電池は充放電によって室温〜約３５
０℃の熱サイクルを繰返すので、これに伴って半径方向
の膨張、収縮が繰返されるが絶縁支持体であるα−アル
ミナリング３とインサート材７の純ＡＱとは熱膨張係数
が異なるために熱応力が発生する。従来は、軟鋼等の陰
・陽極容器２゜４−クラッド材８−インサート材７−ク
ラッド材８−α−アルミナリング３の接合組合せ構造で
あったため、前記のように、熱応力によって拡散接合部
またはα−アルミナリング３の寿命が低下する問題があ
った。

本発明は、α−アルミナリング３と熱膨張係数が近似し
、かつ、陰・陽極容器２，４と溶接可能な低熱膨張係数
を有する金属例えば４２Ｎｉ合金の金属リング９を第１
ｂ図および第１ｃ図に示されるように、ＴＩＧ溶接１０
で容器に溶着したもので、熱膨張係数の差によって発生
する熱応力を接合強度が拡散接合部より高いＴＩＧ溶接
１０の近傍に移行することが可能となった。

その熱応力状態を第２図を参照しながら説明する。

第２図に示される一点鎖線は、従来構造の軟鋼製の陽極
容器２の接合部に発生する熱応力の分布を示す。この場
合、純ＡＱのインサート材７の熱膨張係数が両側に位置
するα−アルミナリング３および陽極容器２に比して大
きいために拡散接合部近傍で高い熱応力、が発生してい
る。これに対し、本発明では、α−アルミナリング３と
４２Ｎｉ合金の金属リング９の両者によってインサート
７の熱変形を抑制するため、拡散接合部の熱応力が低減
して金属リング９と陽極容器２とのＴＩＧ溶接１０の近
傍に移行し熱応力は実線で示される分布となる。この効
果は陰極容器とα−アルミナリングとの接合部も同様で
ある。

なお、４２Ｎｉ合金の金属リング９はクロマイジング表
面処理を施すことによって、イオウ（硫黄）による腐食
を防止することができる。また、α−アルミナリングに
近似し、かつ、容器と溶着可能な金属材料はインコネル
、ハステロイなどのＮｉ基合金があるが、容器の材質、
熱応力状態。

溶接性などを考慮して選択する必要がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、陰・陽極容器の接合端面と金属リング
との金属同志の溶接部近傍が熱応力を負坦して、接合強
度に限度があるα−アルミナリングの拡散接合部の熱応
力が低減するのでナトリウム−イオウ電池の安全性およ
び寿命が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第１ｂ図
および第１ｃ図は第１ａ図の一部拡大図、第２図は本発
明の効果を示すグラフである。 ｌ・・・固体電解質管、２・・・陽極容器、３・・・α
−アルミナリング、４・・・陰極容器、５・・・金属ナ
トリウム、６・・・イオウ、７・・・インサート材、８
・・・クラッド材、９・・・金属リング。 第１ｃＬ図 ６４オウ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、陰極活物質の金属ナトリウムを収納密封する陰極容
   器と、陽極活物質のイオウを収納密封する陽極容器と、
   前記陰極容器と該陽極容器との間に挿入される絶縁支持
   体のα−アルミナリングと、該α−アルミナリングの内
   側に上端が固着する円筒状のナトリウムイオン伝導性の
   固体電解質管とからなり、該α−アルミナリングと前記
   陰極容器および前記陽極容器とのそれぞれの接合部にク
   ラッド材で表面を形成したインサート材を挿入して該接
   合部を拡散接合するナトリウム−イオウ電池の容器接合
   部の構造において、前記陰極容器および前記陽極容器の
   それぞれの前記接合部端面に前記α−アルミナリングに
   近似した熱膨張係数を有する金属リングを溶着して前記
   インサート材を介して拡散接合することを特徴とするナ
   トリウム−イオウ電池の接合部の構造。