一種鈉硫電池正極容器及鈉硫電池的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種鈉硫電池正極容器，包括外殼以及在所述外殼徑向內側與所述外殼同軸設置的固體電解質陶瓷管，該正極容器的頂部通過位于所述固體電解質陶瓷管的頂面的陶瓷絕緣環，以及位于所述外殼和所述陶瓷絕緣環徑向之間的正極密封環封閉；該正極容器的底部通過底蓋封閉，所述底蓋分為支撐環以及底部密封件，所述底部密封件又分為水平的，環形的支撐環安裝部以及位于所述支撐環安裝部徑向內側，下凹且形狀與所述固體電解質陶瓷管底面形狀對應的圓弧形密封結構，所述支撐環的頂面與所述支撐環安裝部底面的外圓周焊接固定，且所述支撐環的高度大于所述圓弧形密封結構的高度。
【專利說明】
一種鈉硫電池正極容器及鈉硫電池
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種鈉硫電池正極容器及鈉硫電池。
【背景技術】
[0002]現有報道的鈉硫電池主要有兩種結構，即鈉中心結構和硫中心結構，其中采用鈉中心結構的鈉硫電池，其質量能量比遠高于硫中心結構的鈉硫電池，因此鈉硫電池研究的重點是鈉中心結構的鈉硫電池。
[0003]鈉中心結構的鈉硫電池，包括徑向從外到內依次同軸設置的外殼和固體電解質陶瓷管。固體電解質陶瓷管徑向內側填充液態金屬鈉，外殼與固體電解質陶瓷管徑向之間填充石墨碳氈，所述石墨碳站中填充硫磺。
[0004]電池放電時，鈉離子通過固體電解質陶瓷管的離子通道，從固體電解質陶瓷管徑向內側的負極傳輸至固體電解質陶瓷管徑向外側的正極，和石墨碳氈中的硫磺反應生成液態多硫化鈉。
[0005]專利號為201120530687.1的中國專利中報道了一種鈉硫電池的正極容器底部密封結構，其底面是是水平的，其優點是制造難度低，其缺點是:由鈉硫電池的外殼、底蓋、固體電解質陶瓷管、正極密封環和陶瓷絕緣環所圍成的鈉硫電池的正極容器可以看作是一個密封的壓力容器。鈉硫電池降溫時，鈉硫電池正極的硫磺和多硫化鈉在其熔點以下，由液相轉變為固相，體積收縮，并產生相變應力，相變應力對固體電解質陶瓷管和底蓋產生拉應力，由于底蓋的底面是水平的，正極容器的強度低，從簡支梁力學性能分析，底蓋中心為最薄弱位置，鈉硫電池降溫時，硫電池正極的硫磺和多硫化鈉導致底蓋中心變形，俗稱鼓包。鼓包導致鈉硫電池支撐不穩，易產生晃動，影響鈉硫電池成組裝配。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種鈉硫電池正極容器，其不僅可以提尚硫橫和多硫化納的充放電回復率，同時也提尚了底蓋的抗變形能力，并有效緩解多硫化鈉對固體電解質陶瓷管的拉應力，降低了固體電解質陶瓷管的破裂幾率。
[0007]為了克服上述技術問題，本發明還提供了一種鈉硫電池。
[0008]實現上述目的的一種技術方案是:一種鈉硫電池正極容器，包括外殼以及在所述外殼徑向內側與所述外殼同軸設置的固體電解質陶瓷管，該正極容器的頂部通過位于所述固體電解質陶瓷管的頂面的陶瓷絕緣環，以及位于所述外殼和所述陶瓷絕緣環徑向之間的正極密封環封閉；
[0009]該正極容器的底部通過底蓋封閉，所述底蓋分為支撐環以及底部密封件，所述底部密封件又分為水平的，環形的支撐環安裝部以及位于所述支撐環安裝部徑向內側，下凹且形狀與所述固體電解質陶瓷管底面形狀對應的圓弧形密封結構，所述支撐環的頂面與所述支撐環安裝部底面的外圓周焊接固定，且所述支撐環的高度大于所述圓弧形密封結構的高度。
[0010]進一步的，所述支撐環的高度比所述圓弧形密封結構的高度大3?5mm。
[0011]進一步的，所述圓弧形密封結構與所述固體電解質陶瓷管底面之間的間隙的寬度為2?5mm0
[0012]進一步的，所述支撐環安裝部的寬度為5?10mm。
[0013]進一步的。所述支撐環的外徑和壁厚，與所述外殼的外徑和壁厚保持一致。
[0014]進一步的，所述正極密封環分為豎直部和水平部，所述豎直部的內圓周面和所述水平部的頂面，對應通過熱壓封接，與所述陶瓷絕緣環的外圓周面和底面固定，所述豎直部的外圓周面與所述外殼的內圓周面之間通過焊接固定。
[0015]再進一步的，所述正極密封環的外圓周面與所述外殼的內圓周面之間的焊接面為臺階面。
[0016]—種鈉硫電池，正極容器，包括外殼以及在所述外殼徑向內側與所述外殼同軸設置的固體電解質陶瓷管，該正極容器的頂部通過位于所述固體電解質陶瓷管的頂面的陶瓷絕緣環，以及位于所述外殼和所述陶瓷絕緣環徑向之間的正極密封環封閉；
[0017]該正極容器的底部通過底蓋封閉，所述底蓋分為支撐環以及底部密封件，所述底部密封件又分為水平的，環形的支撐環安裝部以及位于所述支撐環安裝部徑向內側，下凹且形狀與所述固體電解質陶瓷管底面形狀對應的圓弧形密封結構，所述支撐環的頂面與所述支撐環安裝部底面的外圓周焊接固定，且所述支撐環的高度大于所述圓弧形密封結構的高度。
[0018]進一步的，所述陶瓷絕緣環的頂面固定有負極密封環，所述負極密封環分為水平的陶瓷環封接部和豎直的負極密封蓋焊接部，所述陶瓷環封接部的底面通過熱壓封接與所述陶瓷絕緣環的頂面固定，所述負極密封蓋焊接部的頂面焊接有將所述固體電解質陶瓷管徑向內側的空間封閉的負極密封蓋。
[0019]采用了本發明的一種鈉硫電池正極容器，包括外殼以及在所述外殼徑向內側與所述外殼同軸設置的固體電解質陶瓷管，該正極容器的頂部通過位于所述固體電解質陶瓷管的頂面的陶瓷絕緣環，以及位于所述外殼和所述陶瓷絕緣環徑向之間的正極密封環封閉；該正極容器的底部通過底蓋封閉，所述底蓋分為支撐環以及底部密封件，所述底部密封件又分為水平的，環形的支撐環安裝部以及位于所述支撐環安裝部徑向內側，下凹且形狀與所述固體電解質陶瓷管底面形狀對應的圓弧形密封結構，所述支撐環的頂面與所述支撐環安裝部底面的外圓周焊接固定，且所述支撐環的高度大于所述圓弧形密封結構的高度。其技術效果是:其不僅可以提高硫磺和多硫化鈉的充放電回復率，在力學性能上，相同厚度的圓弧形密封結構的力學強度約是平底結構的四倍，提高了底蓋的抗變形能力，一方面是由于支撐環的存在，允許圓弧形密封結構存在一定的變形，有效緩解多硫化鈉對固體電解質陶瓷管的拉應力，降低了固體電解質陶瓷管的破裂幾率。
[0020]本發明還提供了一種鈉硫電池，其也能起到相同的技術效果。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的一種鈉硫電池正極容器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]請參閱圖1，本發明的發明人為了能更好地對本發明的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，并結合附圖進行詳細地說明:
[0023]本發明的目的是提供一種儲能鈉硫電池正極容器，包括外殼I以及在外殼I徑向內側的與外殼I同軸設置的固體電解質陶瓷管2。外殼I的底部通過底蓋3封閉。底蓋3分為支撐環31以及底部密封件32。底部密封件32又分為水平的，環形的支撐環安裝部321以及位于支撐環安裝部321徑向內側，下凹且形狀與固體電解質陶瓷管2底面形狀對應的圓弧形密封結構322，以使圓弧形密封結構322的頂面與固體電解質陶瓷管2之間形成寬度為d的間隙，SP圓弧形密封結構322和固體電解質陶瓷管2之間形成間隙配合。底部密封件32的支撐環安裝部321的外圓周與外殼I底部的內圓周通過熱影響區域較小的激光焊、氬弧焊或電子束焊固定。支撐環安裝部31的寬度d0為5?10mm。
[0024]支撐環31和底部密封件32均采用輕質鋁合金材料。支撐環31的頂面與底部密封件32中支撐環安裝部321底面的外圓周之間通過激光焊、氬弧焊或電子束焊固定。支撐環31和底部密封件32中支撐環安裝部321之間的焊接無密封性要求，優選的焊縫寬度在I?2mm，以保證焊縫具有良好的力學性能。
[0025]底蓋3的圓弧形密封結構322和支撐環安裝部321可通過模具一體成型加工。底蓋3的外徑公差與外殼I的外徑保持一致，同時兩者采用間隙配合方式便于裝配，且通過激光焊接、電子束焊接和氬弧焊等方式連接，優選地采用高頻連續碟片式激光焊進行焊接，其優點是焊接速度快，熱影響區域較小，形成的焊縫質量優良。焊縫氦氣檢漏率<5X10—9Pam3S-1,焊縫寬度2mm，焊接熔深大于等于1.5mm，且焊縫無明顯氣孔，焊縫內水壓強度超過5MPa。
[0026]支撐環31外徑和壁厚與外殼I的外徑以及壁厚保持一致。支撐環31的高度hi比圓弧形密封結構322的高度h2大3?5_。支撐環31的高度hi比圓弧形密封結構322的高度h2之差大于5mm，則增加電池的總高度，降低電池的質量和體積比能量比。支撐環31的高度hI比圓弧形密封結構322的高度h2之差小于3mm，則可能造成圓弧形密封結構322變形的允許值過低，并造成支撐環31的支撐失效。
[0027]同時，本發明的目的一種儲能鈉硫電池正極容器，還包括位于固體電解質陶瓷管2頂部的陶瓷絕緣環4，陶瓷絕緣環4的內圓周設有一個豎直臺階面41，豎直臺階面41與固體電解質陶瓷管2外圓周面和頂面之間通過玻璃封接，從而使陶瓷絕緣環4與固體電解質管2固定。
[0028]陶瓷絕緣環4與外殼I之間設有正極密封環5，從而將整個正極容器密封。正極密封環5的豎直截面為L形，正極密封環5分為豎直部51和水平部52，豎直部51的內圓周面和水平部52的頂面，對應通過熱壓封接，與陶瓷絕緣環4的外圓周面和底面固定。豎直部51的外徑從上至下依次減小，從而使豎直部51的外圓周面與外殼I內圓周面之間的焊接面為臺階面。豎直部51的外圓周面與外殼I內圓周面之間通過激光焊接或氬弧焊固定。因此正極容器的頂部通過陶瓷絕緣環4和正極密封環5封閉。
[0029]陶瓷絕緣環4的頂面固定有負極密封環6，負極密封環6的豎直截面為L形，因此分為水平的陶瓷環封接部61和豎直的負極密封蓋焊接部62。陶瓷環封接部61的底面通過熱壓封接與陶瓷絕緣環4的頂面固定。陶瓷環封接部61的底面與陶瓷絕緣環4的頂面之間的熱壓封接面為臺階面。負極密封蓋7與負極密封環6的負極密封蓋焊接部62的頂面焊接固定，從而將固體電解質陶瓷管2徑向內側的空間，即負極容器封閉。
[0030]同時，底部密封件32的壁厚范圍為I?3mm，壁厚低于1mm，則鋁合金在鈉硫電池運行溫度下力學強度太低。與底部密封件32中的圓弧形密封結構322與固體電解質陶瓷管2底面的間隙的寬度d為2?5_，該間隙的寬度d優選為3_，該間隙的作用是保持圓弧形密封結構322變形范圍不得超過支撐環高度，維持支撐環31的支撐作用，該間隙d太小，則由于固體電解質陶瓷管2的熱膨脹系數約為7 X 10—6IT1,而外殼I在相同溫度范圍內的熱膨脹系數約為24X10—6IT1,兩種材料熱膨脹系數差異較大，鈉硫電池升降溫時由于熱膨脹，固體電解質陶瓷管2有可能與底蓋3相接觸，在軸向產生較大應力導致陶瓷絕緣環4與正極密封環5之間的熱壓封接失效，該間隙d太大，則堆積在正極容器底部的硫磺和多硫化鈉質量變多，一方面降低了鈉硫電池活性物質的充放電利用率，另一方面，由于多硫化鈉在工作范圍的熱膨脹系數約為35X10—6IT1,鈉硫電池的溫度在多硫化鈉熔點以下時，多硫化鈉固化對固體電解質陶瓷管2和底蓋3產生拉應力，且拉應力的大小和多硫化鈉層的厚度相關，多硫化鈉層的厚度越大，則對固體電解質陶瓷管2和底蓋3的拉應力越大，導致固體電解質陶瓷管2失效幾率和底蓋3變形率增大。同時增加鈉硫電池的總高度，降低鈉硫電池的質量和體積比能量比。
[0031]本發明的一種鈉硫電池正極容器，因為其底蓋3采用了圓弧形密封結構322，其不僅可以提高硫磺和多硫化鈉的充放電回復率，在力學性能上，相同厚度的圓弧形密封結構322的力學強度約是平底結構的底蓋3的四倍，提高了底蓋3的抗變形能力，一方面是由于支撐環31的存在，允許圓弧形密封結構322存在一定的變形，有效緩解多硫化鈉對固體電解質陶瓷管2的拉應力，降低了固體電解質陶瓷管2的破裂幾率。
[0032]本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書范圍內。
【主權項】
1.一種鈉硫電池正極容器，包括外殼以及在所述外殼徑向內側與所述外殼同軸設置的固體電解質陶瓷管，該正極容器的頂部通過位于所述固體電解質陶瓷管的頂面的陶瓷絕緣環，以及位于所述外殼和所述陶瓷絕緣環徑向之間的正極密封環封閉；其特征在于: 該正極容器的底部通過底蓋封閉，所述底蓋分為支撐環以及底部密封件，所述底部密封件又分為水平的，環形的支撐環安裝部以及位于所述支撐環安裝部徑向內側，下凹且形狀與所述固體電解質陶瓷管底面形狀對應的圓弧形密封結構，所述支撐環的頂面與所述支撐環安裝部底面的外圓周焊接固定，且所述支撐環的高度大于所述圓弧形密封結構的高度。2.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池正極容器，其特征在于:所述支撐環的高度比所述圓弧形密封結構的高度大3?5_。3.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池正極容器，其特征在于:所述圓弧形密封結構與所述固體電解質陶瓷管底面之間的間隙的寬度為2?5mm。4.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池正極容器，其特征在于:所述支撐環安裝部的寬度為5?10mm。5.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池正極容器，其特征在于:所述支撐環的外徑和壁厚，與所述外殼的外徑和壁厚保持一致。6.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池正極容器，其特征在于:所述正極密封環分為豎直部和水平部，所述豎直部的內圓周面和所述水平部的頂面，對應通過熱壓封接，與所述陶瓷絕緣環的外圓周面和底面固定，所述豎直部的外圓周面與所述外殼的內圓周面之間通過焊接固定。7.根據權利要求6所述的一種鈉硫電池正極容器，其特征在于:所述正極密封環的外圓周面與所述外殼的內圓周面之間的焊接面為臺階面。8.—種鈉硫電池，其特征在于:其包括根據權利要求1?7中任意一項所述的鈉硫電池正極容器。9.根據權利要求8所述的一種鈉硫電池，其特征在于:所述陶瓷絕緣環的頂面固定有負極密封環，所述負極密封環分為水平的陶瓷環封接部和豎直的負極密封蓋焊接部，所述陶瓷環封接部的底面通過熱壓封接與所述陶瓷絕緣環的頂面固定，所述負極密封蓋焊接部的頂面焊接有將所述固體電解質陶瓷管徑向內側的空間封閉的負極密封蓋。
【文檔編號】H01M10/39GK106099214SQ201610681092
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月17日 公開號201610681092.3, CN 106099214 A, CN 106099214A, CN 201610681092, CN-A-106099214, CN106099214 A, CN106099214A, CN201610681092, CN201610681092.3
【發明人】龔明光, 鮑劍明, 徐中超, 劉宇
【申請人】上海電氣鈉硫儲能技術有限公司