JPH0675407B2 - ナトリウム−イオウ電池の容器接合部の構造 - Google Patents
ナトリウム−イオウ電池の容器接合部の構造Info
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- JPH0675407B2 JPH0675407B2 JP63014405A JP1440588A JPH0675407B2 JP H0675407 B2 JPH0675407 B2 JP H0675407B2 JP 63014405 A JP63014405 A JP 63014405A JP 1440588 A JP1440588 A JP 1440588A JP H0675407 B2 JPH0675407 B2 JP H0675407B2
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- Japan
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- container
- joint
- cathode
- sodium
- anode
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
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- H01M10/39—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34 working at high temperature
- H01M10/3909—Sodium-sulfur cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/10—Energy storage using batteries
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- Electrochemistry (AREA)
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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、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ム−イオウ電池の接合部
の構造に関する。
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ム−イオウ電池の接合部
の構造に関する。
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−アルミナリングの陰
極容器および陽極容器とのそれぞれの接合部にクラツド
材をクラツ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Ｏ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。
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−アルミナリングの陰
極容器および陽極容器とのそれぞれの接合部にクラツド
材をクラツ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Ｏ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、真空ブレージング用Al−Si−Mgクラツ
ド材と純Alより構成されるインサート材をサンドイツチ
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。
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、真空ブレージング用Al−Si−Mgクラツ
ド材と純Alより構成されるインサート材をサンドイツチ
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ツド材は純Al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
Al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ツド材、つまり純Alと容器
の界面は液状になつている。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ツド材が速やかに、
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−スラミツク接合が得られる。しかし、α−アル
ミナリングの熱膨張係数は８×10-6/℃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Al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。
サート材を構成するクラツド材は純Al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
Al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ツド材、つまり純Alと容器
の界面は液状になつている。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ツド材が速やかに、
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−スラミツク接合が得られる。しかし、α−アル
ミナリングの熱膨張係数は８×10-6/℃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Al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Alはその融点に近いため
クリープし、室温＋100℃〜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、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つて室温から約35
0℃まで熱サイクルを繰返すので熱応力が低減しない。
クリープし、室温＋100℃〜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、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つて室温から約35
0℃まで熱サイクルを繰返すので熱応力が低減しない。
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、適正クラツ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
る問題があつた。
合に関し、適正クラツ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
る問題があつた。
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。
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。
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ツ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構造において、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。
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ツ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構造において、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。
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
によつて、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。
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
によつて、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。
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および陽極容器２と
のそれぞれの接合部にクラツド材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。
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および陽極容器２と
のそれぞれの接合部にクラツド材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。
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の陰極容器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、これらによつて陰極５が形成される
とともに、固体電解質管１と陽極容器２によつて密封形
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、これらによつて陽極６が
形成される。なお、陰極５に充填した金属繊維は固体電
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。
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、これらによつて陰極５が形成される
とともに、固体電解質管１と陽極容器２によつて密封形
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、これらによつて陽極６が
形成される。なお、陰極５に充填した金属繊維は固体電
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Alのインサート材７の両面にAl−Si−Mgからな
るクラツド材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とクラツド材
８との接触面、クラツド材８とインサート材７との接触
面、インサート材７と容器側クラツド材８との接触面お
よびクラツド材８と容器との接合部である。これらの面
に約1kgf/mm2の圧力をかけた状態で接合部温度を約590
℃に保つとクラツド材８の表面に液相部が発生し、純Al
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。
合は、純Alのインサート材７の両面にAl−Si−Mgからな
るクラツド材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とクラツド材
８との接触面、クラツド材８とインサート材７との接触
面、インサート材７と容器側クラツド材８との接触面お
よびクラツド材８と容器との接合部である。これらの面
に約1kgf/mm2の圧力をかけた状態で接合部温度を約590
℃に保つとクラツド材８の表面に液相部が発生し、純Al
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Al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Al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。
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Al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つて室温〜約350
℃の熱サイクルを繰返すので、これに伴つて半径方向の
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Al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−クラツド材８−インサート材７−クラツド
材８−α−アルミナリング３の接合組合せ構造であつた
ため、前記のように、熱応力によつ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つた。
℃の熱サイクルを繰返すので、これに伴つて半径方向の
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Al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−クラツド材８−インサート材７−クラツド
材８−α−アルミナリング３の接合組合せ構造であつた
ため、前記のように、熱応力によつ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つた。
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1b図お
よび第1c図に示されるように、TIG溶接10で容器に接合
したもので、熱膨張係数の差によつ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つた。
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1b図お
よび第1c図に示されるように、TIG溶接10で容器に接合
したもので、熱膨張係数の差によつ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つた。
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Al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の両者によつてインサート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。
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Al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の両者によつてインサート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
理を施すことによつて、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。
理を施すことによつて、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。
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。
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。
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。 １……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……クラツド
材、９……金属リング。
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。 １……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……クラツド
材、９……金属リング。
Claims (1)
- 【請求項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
合部にクラツ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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63014405A JPH0675407B2 (ja) | 1988-01-27 | 1988-01-27 | ナトリウム−イオウ電池の容器接合部の構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63014405A JPH0675407B2 (ja) | 1988-01-27 | 1988-01-27 | ナトリウム−イオウ電池の容器接合部の構造 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01194274A JPH01194274A (ja) | 1989-08-04 |
| JPH0675407B2 true JPH0675407B2 (ja) | 1994-09-21 |
Family
ID=11860138
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63014405A Expired - Lifetime JPH0675407B2 (ja) | 1988-01-27 | 1988-01-27 | ナトリウム−イオウ電池の容器接合部の構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0675407B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101451410B1 (ko) * | 2012-12-27 | 2014-10-16 | 주식회사 포스코 | 나트륨-유황 전지의 절연링의 접합부 |
-
1988
- 1988-01-27 JP JP63014405A patent/JPH0675407B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101451410B1 (ko) * | 2012-12-27 | 2014-10-16 | 주식회사 포스코 | 나트륨-유황 전지의 절연링의 접합부 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01194274A (ja) | 1989-08-04 |
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