高温密封电化学单元的制作方法
【专利说明】高温密封电化学单元
[0001]关于联邦政府资助的研宄或开发的声明
[0002]本发明获得美国能源部颁发的N0.DE-AR0000047号许可下的政府支持。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
[0003]本发明涉及一种可在高温下操作的密封容器，更具体的，涉及一种高温电化学单元(cell)的密封。
【背景技术】
[0004]例如高温电解和高温电池的应用包括密封容器，其防止活性材料与空气和湿气的反应。传统设计试图将整个电池的单元密封在容器级别中，这样就需要高温密封体。除了密封该单元之外，该密封体还使电极(例如，该容器的上半部和下半部)电绝缘，从而禁止使用导电性密封材料。高温密封体通常采用玻璃或陶瓷并设计成在窄范围的运行温度下保持良好的密封。通常定制该玻璃或陶瓷组成以在目标运行温度下匹配容器材料的热膨胀。结果，高温密封体通常在热循环中受到限制。
[0005]以前的单元设计采用低温密封体，包括限制热传导的大薄法兰，如美国专利3, 419, 432 (Hesson)中所说明的，其通过引用并入本文。然而，这种设计具有用于热传导的大的面积并且不是热力上高效的。而且，随着Hesson的单元被密封至更大的尺寸，其主要的热传导区域与其周长成比例。
【发明内容】
[0006]根据本发明的第一个实施方式，提供了一种用于高温电化学反应的单元。该单元包括容器，该容器的至少一部分作为第一电极。延长管具有第一端和第二端，该延长管在第二端连接到该容器，形成从该容器到所述第一端的管道。第二电极位于该容器中并经该管道延伸出该容器。密封体位于该延长管的第一端附近，用于密封该单元。
[0007]根据本发明的相关实施方式，电绝缘套可置于第二电极和该延长管之间。该密封体包括ο形环压缩配件。T型压缩配件可置于该延长管的第一端和该ο形环压缩配件之间。一个或多个加热元件可以与该容器热耦合。热绝缘体可以覆盖该加热元件、容器和/或延长管的至少一部分。该延长管的一部分可以不是热绝缘的。电解质、固体金属和液体金属的至少一种可位于该容器中。
[0008]根据本发明的进一步相关的实施方式，该容器可包括位于该容器中的绝缘护套和/或位于该容器内壁上的绝缘涂层。该绝缘护套和/或绝缘涂层相对于容器内壁可具有不同的耐腐蚀性和/或提供电绝缘。电绝缘材料可连接在该容器和该绝缘护套之间，该绝缘护套包括金属。
[0009]根据本发明的进一步相关的实施方式，该延长管可移动地连接到该容器。插座压缩配件连接到该容器，该延长管可移动地连接到该插座压缩配件。
[0010]在本发明的进一步相关的实施方式中，该容器可包括顶壁、底壁和侧壁。该延长管连接到侧壁，允许单元堆叠在彼此的顶部。
[0011]根据本发明的另一个实施方式，一种电化学单元的制造方法包括用电解材料填充容器，该容器包括开口，该容器用作第一电极。第二电极经该开口置于该容器中。一个帽置于该开口之上。一个延长管连接到该帽，该延长管具有第一端和第二端。该延长管在第二端连接到该帽，形成从该容器到所述第一端的管道，其中该顶部电极经该管道延伸出该容器。一个用于密封单元的密封体安装在该延长管的第一端附近。
[0012]根据本发明的相关实施方式，可以在放置该帽之前经开口用电解材料填充该容器。可选择地，可以在放置该帽之后经延长管用电解材料填充该容器。
[0013]在本发明的进一步相关的实施方式中，电绝缘套可设在该第二电极和延长管之间。该密封体可包括ο形环压缩配件，具有位于该延长管的第一端和该ο形环压缩配件之间的一个T型压缩配件。一个或多个加热元件可与该容器热耦合。热绝缘体可覆盖该加热元件、容器和延长管的一部分。
[0014]在本发明的进一步相关的实施方式中，提供了位于该容器中的绝缘护套和/或位于该容器内壁上的绝缘涂层。电绝缘材料可连接在该容器和该绝缘护套之间，其中该绝缘护套包括金属。插座压缩配件可连接到该帽，使得该延长管可移动地连接到该插座压缩配件。
[0015]在本发明进一步的实施方式中，该容器可包括顶壁、底壁和侧壁，其中该延长管连接到侧壁，其允许多个电化学单元堆叠在彼此的顶部。
【附图说明】
[0016]通过参考以下的详细说明，并参照附图将能更容易地理解实施方式的前述特征，其中:
[0017]图1示出了根据本发明的一个实施方式的一个电化学单元的截面图；
[0018]图2示出了根据本发明的多个实施方式的具有绝缘护套和插座焊接压缩配件的图1的电化学单元；
[0019]图3示出了根据本发明的一个实施方式的一个护套，包括和/或连接到具有但不限于不同的耐腐蚀性和/或电特性的多种材料；
[0020]图4示出了根据本发明的一个实施方式的允许堆叠的一个电化学单元；以及
[0021]图5示出了根据本发明的一个实施方式的图4的多个电化学单元的堆叠。
【具体实施方式】
[0022]在本发明的描述性实施方式中，介绍了用于高温应用例如电化学单元的密封容器。通常，在本发明的多个实施方式中，通过将该密封体从具有足够长度和最小壁厚度的延长管的容器分离，电化学单元允许使用普通的低温密封体。通过该延长管的热传输较低，并且在该密封体的区域中实现了温度降低。低温允许采用常规弹性密封体。另外，使密封体与容器分开导致更小的密封区域。总之，大大降低的密封区域以及可靠地弹性密封体的使用实现了高质量的密封。本发明的实施方式在环境空气下以液体金属电池运行并超过30天没有恶化迹象。下面将进行详细说明。
[0023]图1示出了根据本发明的一个实施方式的一个电化学单元的截面图。该单元包括作为第一电极的导电容器109。该容器109的形状不受几何结构的限制，例如实质上可以是圆形、矩形或椭圆形。容器109通常由具有必要的机械强度和对来自电解的化学攻击的抗性的材料制成。
[0024]容器109填充有用于电解的固体或液体材料。描述性地，该电解材料可以包括，但不限于，导电固体或液体金属或合金112，以及离子传导性电解质111。
[0025]第二电极110位于容器109中。然后，通过但不限于焊接、铜焊或模锻将具有延长管105的顶帽107固定到容器109单元。该延长管105具有第一端和第二端，延长管105的第二端连接到帽107，以形成从容器109到第一端的管道。位于容器109中的该第二电极110经该管道延伸出容器109。
[0026]应该理解的是，用于生产该电化学单元的步骤顺序可以改变。例如，在多个实施方式中，如果电解材料对空气或湿气敏感，则可以首先将顶部电极I1置于容器109中。然后将具有延长管105的顶帽107连接到容器109，随后通过延长管105在合适的气氛中加载电解材料。
[0027]在多个实施方式中，可将T型压缩配件104连接到延长管105。该T型压缩配件104的水平开口例如可以用于排空容器109内部的气体或将气体填充在容器109内部，或用于将其他材料添加进容器109。
[0028]用电绝缘套102可实现顶部电极110与底部电极/容器109的电绝缘。电绝缘套102将该顶部电极连接101与和底部电极/底部容器109电接触的延长管105和任意压缩配件104电隔离。
[0029]外部加热元件108可连接到容器109。热绝缘体可以覆盖加热元件108、容器109和/或延长管105的至少一部分。
[0030]在本发明的描述性实施方式中，密封体103安装在延长管105的第二端(即，相对于容器109的远端)处或其附近，并全部密封该单元。密封体103可以是，但不限于，ο形环压缩配件。在密封体103通过延长管105与容器109及其相关的高温分离时，可以有利地使用本领域已知的普通低温弹性密封体103。足够长的延长管105可以保持不绝缘以允许密封体103处足够的低温。延长管105的直径和壁厚度可以保持最小以降低容器109的导热损耗。
[0031]将密封体103与容器109分离，连同将第二电极110与第一电极/容器109电隔离，允许顶帽107连接到容器109，而不用担心电隔离、热膨胀或热循环。如上所述，顶帽107可以简单地通过焊接、铜焊或模锻而连接到容器109。
[0032]通过延长管105将密封体103从容器109分离的另一个好处是，相对于以前的单元设计，