RU2087998C1 - Metal-ceramic assembly of sulfur-sodium storage battery - Google Patents
Metal-ceramic assembly of sulfur-sodium storage battery Download PDFInfo
- Publication number
- RU2087998C1 RU2087998C1 RU9494025061A RU94025061A RU2087998C1 RU 2087998 C1 RU2087998 C1 RU 2087998C1 RU 9494025061 A RU9494025061 A RU 9494025061A RU 94025061 A RU94025061 A RU 94025061A RU 2087998 C1 RU2087998 C1 RU 2087998C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ceramic
- metal
- diameter
- cuff
- sodium
- Prior art date
Links
Classifications
-
- 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
Abstract
Description
Изобретение относится к области производства металлокерамических узлов (МКУ) и может быть использовано при изготовлении герметичных, вакуум-плотных и термостойких МКУ для химических источников тока (прежде всего серно-натриевых аккумуляторов), узлов и приборов в электронной, радиотехнической, электротехнической и др. отраслях промышленности. The invention relates to the production of ceramic-metal assemblies (MCU) and can be used in the manufacture of sealed, vacuum-tight and heat-resistant MCU for chemical current sources (primarily sodium-sulfur batteries), components and devices in the electronic, radio engineering, electrical and other industries industry.
В настоящее время сформировалась конструкция МКУ для сернонатриевых аккумуляторов (СНА) цилиндрического типа, включающая в себя керамический изолятор с присоединенными к нему манжетами и припаянной колбой твердого электролита. Технология получения такого узла включает в себя неразъемное соединение металлических манжет с керамическим изолятором (выполненным в виде кольца или втулки), высокотемпературную пайку керамического изолятора с колбой, после чего через специальное отверстие производится заправка жидким натрием (так называемая схема аккумулятора с центральным анодом и "жидкой" заправкой) и герметизацию анодной полости. Надежность такого узла определяется, прежде всего, надежностью соединения "металл-керамика", которая в свою очередь зависит от уровня напряжений, возникающих в месте соединения из-за разности термических перемещений металла и керамики. При этом объем и масса МКУ должны быть минимальными, поскольку их увеличение существенно снижает удельные характеристики СНА. Currently, the design of the MKU for sulfur-sodium batteries (SNA) of the cylindrical type has been formed, which includes a ceramic insulator with cuffs attached to it and a soldered solid electrolyte flask. The technology for producing such a unit includes an integral connection of metal cuffs with a ceramic insulator (made in the form of a ring or a sleeve), high-temperature soldering of a ceramic insulator with a flask, after which liquid sodium is charged through a special hole (the so-called battery circuit with a central anode and "liquid "dressing) and sealing the anode cavity. The reliability of such an assembly is determined, first of all, by the reliability of the metal-ceramic joint, which in turn depends on the level of stresses arising at the joint due to the difference in the thermal displacements of the metal and ceramic. In this case, the volume and mass of the MCU should be minimal, since their increase significantly reduces the specific characteristics of SNA.
Известна конструкция металлокерамического узла СНА цилиндрического типа, состоящего из керамического изолятора, выполненного из альфа-глинозема и металлической манжеты с кольцевыми гофрами, образованными в центральной части манжеты, и термодиффузионное соединение под нагрузкой кольца с плоской периферической поверхностью манжеты через промежуточную алюминиевую прокладку. Во время эксплуатации МКУ, при его термоциклических нагружениях, кольцевые гофры упруго деформируются и обеспечивают компенсацию взаимных термоперемещений кольца и манжеты [1]
Недостатком приведенной конструкции является высокий уровень локальных остаточных технологических напряжений, возникающих в плоском соединении между керамикой и металлом, из-за большого радиуса места крепления одной из манжет к керамическому кольцу, что может привести к пластической деформации гофров и разгерметизации узла при повышенных температурах и длительном ресурсе. На снижение эксплуатационной надежности МКУ также влияет рост интерметаллидов на границе "металл-алюминий", вызывающих охрупчивание соединения и увеличивающих вероятность его разгерметизации. Кроме того, использование алюминиевой прокладки снижает температуру эксплуатации МКУ, увеличивает время образования соединения и усложняет процесс изготовления изделия.A known construction of a ceramic-metal assembly СНА of a cylindrical type, consisting of a ceramic insulator made of alpha-alumina and a metal cuff with annular corrugations formed in the central part of the cuff, and thermal diffusion connection under load of the ring with a flat peripheral surface of the cuff through an intermediate aluminum gasket. During the operation of the MCU, with its thermocyclic loads, the annular corrugations are elastically deformed and provide compensation for the mutual thermal displacements of the ring and cuff [1]
The disadvantage of this design is the high level of local residual technological stresses arising in a flat connection between ceramic and metal, due to the large radius of the attachment point of one of the cuffs to the ceramic ring, which can lead to plastic deformation of the corrugations and depressurization of the assembly at elevated temperatures and long life . The decrease in the operational reliability of the MCU is also affected by the growth of intermetallic compounds at the metal-aluminum interface, which cause embrittlement of the compound and increase the likelihood of its depressurization. In addition, the use of aluminum gaskets reduces the operating temperature of the MCU, increases the formation time of the compound and complicates the manufacturing process of the product.
Известна также конструкция и способ, включающий сборку пакета из керамического кольца, выполненного из альфа-глинозема и двух кольцевых металлических манжет внешней и внутренней, выполненных из сплава на железной и никелевой основе, и их термокомпрессионную сварку к верхней (внешней) торцевой поверхности изоляционного керамического кольца. Для уменьшения уровня остаточных технологических напряжений в зоне сварки, ее располагают максимально близко к центру керамического кольца [2]
Недостатком этого способа является невозможность обеспечить минимальный радиус места крепления одной из манжет (катодной), что приводит к росту в ней остаточных напряжений. Кроме того, при наружном расположении анодной манжеты соединение "металл-керамика" работает на растяжение при возникновении внутреннего давления в анодной полости аккумулятора.There is also known a design and method, including assembling a package of a ceramic ring made of alpha-alumina and two ring metal cuffs external and internal, made of an alloy on an iron and nickel basis, and their thermocompression welding to the upper (external) end surface of the insulating ceramic ring . To reduce the level of residual technological stresses in the welding zone, it is placed as close as possible to the center of the ceramic ring [2]
The disadvantage of this method is the inability to provide a minimum radius of the mounting location of one of the cuffs (cathode), which leads to an increase in residual stresses in it. In addition, with the external location of the anode cuff, the metal-ceramic compound works in tension when internal pressure arises in the anode cavity of the battery.
Наиболее близким к заявляемой конструкции по технической сущности - прототипом, является конструкция МКУ серно-натриевого аккумулятора, в котором манжеты крепятся к керамической втулке, имеющей специальные торцевые поверхности, расположенные напротив друг друга, а колба твердого электролита соединяется с нижней частью керамической втулки. Положение манжет строго определенное нижняя манжета соединяется с катодным корпусом, а верхняя с дополнительной анодной камерой. Для снижения осевых напряжений в керамической втулке используются керамические компенсаторные кольца [3]
Недостатком прототипа является высокий уровень радиальных напряжений в месте крепления катодной манжеты, который определяется диаметром зоны соединения манжеты с керамической втулкой. В данной конструкции диаметр зоны соединения зависит от диаметра колбы, которая крепится к нижней части втулки и диаметра отверстия, соединяющего колбу с анодной камерой. В целом, необходимость использования втулки (а не плоского кольца) для реализации конструкции прототипа и зависимость диаметра зоны крепления одной из манжет от диаметра колбы, не позволяют уменьшить напряжения за счет минимального диаметра зоны соединения, поскольку диаметр колбы твердого электролита менее 15-20 мм не обеспечивает приемлемых энергетических характеристик серно-натриевого аккумулятора.The closest to the claimed design by technical essence - the prototype, is the design of the MCU of the sodium-sulfur battery, in which the cuffs are attached to a ceramic sleeve having special end surfaces located opposite each other, and the solid electrolyte flask is connected to the lower part of the ceramic sleeve. The position of the cuffs is a strictly defined lower cuff connected to the cathode body, and the upper cuff with an additional anode chamber. To reduce axial stresses in the ceramic sleeve, ceramic expansion rings are used [3]
The disadvantage of the prototype is the high level of radial stresses in the place of attachment of the cathode cuff, which is determined by the diameter of the zone of connection of the cuff with a ceramic sleeve. In this design, the diameter of the connection zone depends on the diameter of the flask, which is attached to the lower part of the sleeve and the diameter of the hole connecting the flask to the anode chamber. In general, the need to use a sleeve (rather than a flat ring) for the implementation of the prototype design and the dependence of the diameter of the fastening zone of one of the cuffs on the diameter of the flask do not reduce stress due to the minimum diameter of the connection zone, since the diameter of the flask of solid electrolyte is less than 15-20 mm provides acceptable energy characteristics of the sodium-sulfur battery.
Следует отметить, что на фиг.3 описания прототипа приведен ряд вариантов конструкции, на которых показана схема крепления манжет с использованием плоских втулок и компенсаторных колец, но схема не может быть практически реализована, поскольку катодная манжета (нижняя) имеет электрический контакт с анодной полостью, что лишено технического смысла. It should be noted that in figure 3 of the description of the prototype shows a number of design options, which shows the mounting scheme of the cuffs using flat bushings and expansion rings, but the circuit cannot be practically implemented, since the cathode cuff (lower) has electrical contact with the anode cavity, which is devoid of technical meaning.
На основании изложенного можно сделать вывод, что состояние уровня техники в области сернонатриевых аккумуляторов характеризуется увеличением габаритных размеров аккумуляторов и снижением эксплуатационной надежности и ресурса МКУ вследствие несовершенства конструкции и процессов их изготовления, обусловливающих высокий уровень напряжений, возникающих в месте соединения металлической манжеты с керамическим изолятором. Based on the foregoing, it can be concluded that the state of the art in the field of sodium and sodium batteries is characterized by an increase in the overall dimensions of the batteries and a decrease in the operational reliability and life of the MCU due to imperfect design and manufacturing processes that cause a high level of stresses arising at the junction of the metal cuff with the ceramic insulator.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эксплуатационной надежности и ресурса изготавливаемых МКУ при минимальных габаритах и трудоемкости изготовления. The task of the invention is to increase the operational reliability and resource of manufactured MCUs with the minimum dimensions and laboriousness of manufacture.
Это достигается тем, что в МКУ сернонатриевого аккумулятора, включающем керамическое кольцо с заправочным отверстием диаметром D, две металлические манжеты, расположенные на торцевых поверхностях кольца напротив друг друга и соединенную с МКУ колбу твердого электролита, согласно изобретению, внутренний диаметр зоны соединения манжет с керамическим кольцом выполнен минимальным и его величина составляет 1,1-2,0 Д. This is achieved by the fact that in the MCU of a sodium and sodium battery, including a ceramic ring with a filling hole with a diameter of D, two metal cuffs located on the end surfaces of the ring opposite each other and connected to the MCU is a solid electrolyte flask, according to the invention, the inner diameter of the connection zone of the cuffs with a ceramic ring made minimal and its value is 1.1-2.0 D.
На чертеже изображено предложенное устройство. The drawing shows the proposed device.
Оно содержит керамическое кольцо 1, на верхнем торце которого размещена металлическая катодная манжета 2, выполненная в виде чашки с центральным отверстием и имеющая компенсационный гофр 4 на торцевой поверхности. Анодная манжета 3, выполненная в виде цилиндра с отбортовкой, крепится к керамическому кольцу 1 своей плоской частью с внутренней стороны кольца, напротив места крепления катодной манжеты 2. It contains a ceramic ring 1, on the upper end of which there is a metal cathode cuff 2, made in the form of a cup with a central hole and having a compensation corrugation 4 on the end surface. The anode cuff 3, made in the form of a flanged cylinder, is attached to the ceramic ring 1 with its flat part on the inner side of the ring, opposite the mounting point of the cathode cuff 2.
Манжеты 2 и 3 крепятся к кольцу 1 в зоне центрального отверстия, через которое осуществляется заправка натрием. Величина отверстия определяется минимальным диаметром заправочного патрубка, через который может осуществляться прокачка жидкого натрия и не превышает 5-8 мм. Зона крепления 5 имеет минимальный радиус, который зависит от величины заправочного отверстия. В этом случае величина минимального диаметра зоны крепления не должна быть меньше 1,1 диаметра заправочного отверстия, так как в противном случае может произойти электрический пробой между манжетой и токосъемником, проходящим через заправочное отверстие. Если величина минимального диаметра крепления превышает 2 диаметра отверстия заправочного отверстия, то напряжения в месте соединения манжеты с керамическим изолятором существенно возрастают. The cuffs 2 and 3 are attached to the ring 1 in the area of the central hole through which sodium is charged. The size of the hole is determined by the minimum diameter of the filling pipe through which liquid sodium can be pumped and does not exceed 5-8 mm. The attachment zone 5 has a minimum radius, which depends on the size of the filling hole. In this case, the minimum diameter of the fastening zone should not be less than 1.1 of the diameter of the filling hole, since otherwise electrical breakdown may occur between the cuff and the current collector passing through the filling hole. If the minimum diameter of the fastening exceeds 2 diameters of the hole of the filling hole, then the stresses at the junction of the cuff with the ceramic insulator increase significantly.
Над зоной крепления манжет могут быть установлены керамические компенсаторные кольца 6 и 7. Ceramic expansion rings 6 and 7 can be installed above the cuff attachment zone.
После проведения процесса соединения манжет и кольца устанавливается колба твердого электролита 8, к катодной манжете 2 приваривается корпус 9, а анодная полость герметизируется приваркой к анодной манжете 3 токосъемника 10. Минимальный диаметр зоны крепления 5 манжет 2 и 3 составляет 8 мм, максимальный 16 мм, диаметр заправочного отверстия 5-8 мм, т.е. отношение внутреннего диаметра зоны соединения манжет с керамическим кольцом составляет 1,1-2,0 диаметра заправочного отверстия. After the process of connecting the cuffs and the ring, a solid electrolyte flask 8 is installed, the casing 9 is welded to the cathode cuff 2, and the anode cavity is sealed by welding to the current collector 3 to the anode cuff 10. The minimum diameter of the fastening zone of 5 cuffs 2 and 3 is 8 mm, the maximum is 16 mm, the diameter of the filling hole is 5-8 mm, i.e. the ratio of the inner diameter of the zone of connection of the cuffs with the ceramic ring is 1.1-2.0 of the diameter of the filling hole.
Пример конкретного выполнения. An example of a specific implementation.
Металлокерамический узел для сернонатриевого аккумулятора цилиндрического типа с центральным анодом изготавливается в соответствии с чертежом. A ceramic-metal assembly for a cylindrical sulfur-sodium battery with a central anode is made in accordance with the drawing.
Изоляционное керамическое кольцо 1 имеет внешний диаметр 43 мм, диаметр внутреннего отверстия 7 мм, толщину 6 мм и изготавливается из керамики ВК-102. Манжеты 2 и 3 изготавливаются из стальной фольги ХН781 толщиной 0,2 мм. Соединение манжет с керамическим кольцом осуществляется с помощью термодиффузионной сварки. Минимальный диаметр зоны крепления манжет составляет 8 мм при максимальном диаметре зоны крепления 16 мм. The insulating ceramic ring 1 has an outer diameter of 43 mm, an inner hole diameter of 7 mm, a thickness of 6 mm, and is made of VK-102 ceramics. Cuffs 2 and 3 are made of 0.28 mm thick XH781 steel foil. The connection of the cuffs with the ceramic ring is carried out using thermal diffusion welding. The minimum diameter of the cuff attachment zone is 8 mm with a maximum diameter of the attachment zone of 16 mm.
Дополнительно, для разгрузки узлов соединения, установлены керамические компенсационные кольца 6 и 7 толщиной 3 мм, изготовленные из керамики типа ВК-102. На катодной манжете 2 выполнены два компенсационных гофра 4. Уровень остаточных напряжений в такой конструкции не превышает 60 МПа, что обеспечивает более чем 4-х кратный запас прочности соединения. Additionally, for unloading the connection nodes, ceramic compensation rings 6 and 7 are installed with a thickness of 3 mm made of VK-102 type ceramics. On the cathode cuff 2 there are two compensation corrugations 4. The level of residual stresses in this design does not exceed 60 MPa, which provides more than 4-fold margin of safety of the connection.
В конструкциях, аналогичных описанной в прототипе при прочих равных условиях, уровень остаточных напряжений в керамике составляет не менее 140 МПа, а при использовании компенсационных колец 105-110 МПа. In designs similar to those described in the prototype, ceteris paribus, the level of residual stresses in the ceramic is at least 140 MPa, and when using compensation rings 105-110 MPa.
В аварийных ситуациях, когда увеличивается давление внутри аккумулятора, обе манжеты в прототипе работают в условиях растягивающих напряжений и давление, которое они могут выдержать, не превышает 250 МПа. В предлагаемой конструкции анодная манжета работает на сжатие и давление увеличивается до 380 МПа. In emergency situations, when the pressure inside the battery increases, both cuffs in the prototype work under conditions of tensile stresses and the pressure that they can withstand does not exceed 250 MPa. In the proposed design, the anode cuff works for compression and the pressure increases to 380 MPa.
Заявляемая конструкция обеспечивает в сравнении с прототипом повышенную эксплуатационную надежность и работоспособность МКУ из материалов с различными КЛР. Достигаемое при этом более чем 2-х кратное снижение остаточных технологических и рабочих напряжений позволяет использовать конструкцию при изготовлении МКУ для изделий, подвергающихся длительным термоциклическим нагрузкам, например, для высокотемпературных серно-натриевых элементов с рабочей температурой 350oC. Предлагаемая конструкция может быть использована при серийном изготовлении высоконадежных МКУ на стандартном технологическом оборудовании, применяемом при диффузионной сварке и пайке.The inventive design provides, in comparison with the prototype, increased operational reliability and operability of the MCU from materials with different CRR. Achieved by this more than 2-fold reduction in residual technological and operating stresses allows using the design in the manufacture of MCU for products subjected to long-term thermal cyclic loads, for example, for high-temperature sulfur-sodium elements with an operating temperature of 350 o C. The proposed design can be used at serial production of highly reliable MKU on standard technological equipment used in diffusion welding and soldering.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9494025061A RU2087998C1 (en) | 1994-07-04 | 1994-07-04 | Metal-ceramic assembly of sulfur-sodium storage battery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU9494025061A RU2087998C1 (en) | 1994-07-04 | 1994-07-04 | Metal-ceramic assembly of sulfur-sodium storage battery |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU94025061A RU94025061A (en) | 1997-05-10 |
| RU2087998C1 true RU2087998C1 (en) | 1997-08-20 |
Family
ID=20158055
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU9494025061A RU2087998C1 (en) | 1994-07-04 | 1994-07-04 | Metal-ceramic assembly of sulfur-sodium storage battery |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2087998C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2680516C1 (en) * | 2015-10-06 | 2019-02-22 | Югенкайся Тусейгикен | Sodium-sulfur battery |
-
1994
- 1994-07-04 RU RU9494025061A patent/RU2087998C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 1. Патент США N 4419418, кл. H 01 M 4/36, 1983. 2. Патент Великобритании N 2161017, кл. H 01 M 10/39, 1986. 3. Патент Великобритании N 1526656, кл. H 01 M 10/39, 1978. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2680516C1 (en) * | 2015-10-06 | 2019-02-22 | Югенкайся Тусейгикен | Sodium-sulfur battery |
| US10637103B2 (en) | 2015-10-06 | 2020-04-28 | Yugenkaisha Chuseigiken | Sodium-sulfur battery |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU94025061A (en) | 1997-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4294897A (en) | Sealing of ceramic electrolyte tubes in electrochemical cells | |
| US4167351A (en) | Metal-to-ceramic seals | |
| US6312852B1 (en) | Battery cell cover with flexible positive post terminal | |
| US6703154B2 (en) | Solid oxide fuel cell compression bellows | |
| CN112728224A (en) | Cross-cabin sealing structure and equipment | |
| US20150288006A1 (en) | Fuel cell system glow plug and method of forming same | |
| RU2087998C1 (en) | Metal-ceramic assembly of sulfur-sodium storage battery | |
| EP0660353A2 (en) | Vacuum valve and method of manufacturing the same | |
| CN102930905B (en) | A kind of removable pottery or glass mould sealing electrical penetration assembly | |
| US4950564A (en) | Metal gas cell | |
| CN212924892U (en) | Lower clamp of coating machine | |
| CN1018039B (en) | Apparatus for constructing alkali metal energy conversion device | |
| US4236661A (en) | Thermocompression methods of forming sodium-sulfur cell casings | |
| US20070066109A1 (en) | Electrical hermetic penetrant structure of average voltage | |
| CN212806478U (en) | Sealing member and rotary furnace sealing device | |
| CN1032606A (en) | Metal energy conversion device and manufacture method thereof | |
| RU2053983C1 (en) | Method for manufacture of cermet product | |
| GB1586073A (en) | Metal-to-ceramic seal | |
| CN212616700U (en) | High-temperature and high-pressure resistant valve rod sealing ring | |
| CN218587357U (en) | High-temperature furnace sealing insulated electrode | |
| US5518837A (en) | Lithium/metal sulfide cell positive terminal feedthru assemblies | |
| JPH02209689A (en) | High temperature insulating piping | |
| CN217479538U (en) | Ceramic metal welding electrode for vacuum equipment | |
| US3252039A (en) | Electric discharge device | |
| JPH03187160A (en) | Sodium-sulfur battery |