一种钠硫电池正极容器及钠硫电池的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种钠硫电池正极容器，包括外壳以及在所述外壳径向内侧与所述外壳同轴设置的固体电解质陶瓷管，该正极容器的顶部通过位于所述固体电解质陶瓷管的顶面的陶瓷绝缘环，以及位于所述外壳和所述陶瓷绝缘环径向之间的正极密封环封闭；该正极容器的底部通过底盖封闭，所述底盖分为支撑环以及底部密封件，所述底部密封件又分为水平的，环形的支撑环安装部以及位于所述支撑环安装部径向内侧，下凹且形状与所述固体电解质陶瓷管底面形状对应的圆弧形密封结构，所述支撑环的顶面与所述支撑环安装部底面的外圆周焊接固定，且所述支撑环的高度大于所述圆弧形密封结构的高度。
【专利说明】
一种钠硫电池正极容器及钠硫电池
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种钠硫电池正极容器及钠硫电池。
【背景技术】
[0002]现有报道的钠硫电池主要有两种结构，即钠中心结构和硫中心结构，其中采用钠中心结构的钠硫电池，其质量能量比远高于硫中心结构的钠硫电池，因此钠硫电池研究的重点是钠中心结构的钠硫电池。
[0003]钠中心结构的钠硫电池，包括径向从外到内依次同轴设置的外壳和固体电解质陶瓷管。固体电解质陶瓷管径向内侧填充液态金属钠，外壳与固体电解质陶瓷管径向之间填充石墨碳毡，所述石墨碳站中填充硫磺。
[0004]电池放电时，钠离子通过固体电解质陶瓷管的离子通道，从固体电解质陶瓷管径向内侧的负极传输至固体电解质陶瓷管径向外侧的正极，和石墨碳毡中的硫磺反应生成液态多硫化钠。
[0005]专利号为201120530687.1的中国专利中报道了一种钠硫电池的正极容器底部密封结构，其底面是是水平的，其优点是制造难度低，其缺点是:由钠硫电池的外壳、底盖、固体电解质陶瓷管、正极密封环和陶瓷绝缘环所围成的钠硫电池的正极容器可以看作是一个密封的压力容器。钠硫电池降温时，钠硫电池正极的硫磺和多硫化钠在其熔点以下，由液相转变为固相，体积收缩，并产生相变应力，相变应力对固体电解质陶瓷管和底盖产生拉应力，由于底盖的底面是水平的，正极容器的强度低，从简支梁力学性能分析，底盖中心为最薄弱位置，钠硫电池降温时，硫电池正极的硫磺和多硫化钠导致底盖中心变形，俗称鼓包。鼓包导致钠硫电池支撑不稳，易产生晃动，影响钠硫电池成组装配。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池正极容器，其不仅可以提尚硫横和多硫化纳的充放电回复率，同时也提尚了底盖的抗变形能力，并有效缓解多硫化钠对固体电解质陶瓷管的拉应力，降低了固体电解质陶瓷管的破裂几率。
[0007]为了克服上述技术问题，本发明还提供了一种钠硫电池。
[0008]实现上述目的的一种技术方案是:一种钠硫电池正极容器，包括外壳以及在所述外壳径向内侧与所述外壳同轴设置的固体电解质陶瓷管，该正极容器的顶部通过位于所述固体电解质陶瓷管的顶面的陶瓷绝缘环，以及位于所述外壳和所述陶瓷绝缘环径向之间的正极密封环封闭；
[0009]该正极容器的底部通过底盖封闭，所述底盖分为支撑环以及底部密封件，所述底部密封件又分为水平的，环形的支撑环安装部以及位于所述支撑环安装部径向内侧，下凹且形状与所述固体电解质陶瓷管底面形状对应的圆弧形密封结构，所述支撑环的顶面与所述支撑环安装部底面的外圆周焊接固定，且所述支撑环的高度大于所述圆弧形密封结构的高度。
[0010]进一步的，所述支撑环的高度比所述圆弧形密封结构的高度大3?5mm。
[0011]进一步的，所述圆弧形密封结构与所述固体电解质陶瓷管底面之间的间隙的宽度为2?5mm0
[0012]进一步的，所述支撑环安装部的宽度为5?10mm。
[0013]进一步的。所述支撑环的外径和壁厚，与所述外壳的外径和壁厚保持一致。
[0014]进一步的，所述正极密封环分为竖直部和水平部，所述竖直部的内圆周面和所述水平部的顶面，对应通过热压封接，与所述陶瓷绝缘环的外圆周面和底面固定，所述竖直部的外圆周面与所述外壳的内圆周面之间通过焊接固定。
[0015]再进一步的，所述正极密封环的外圆周面与所述外壳的内圆周面之间的焊接面为台阶面。
[0016]—种钠硫电池，正极容器，包括外壳以及在所述外壳径向内侧与所述外壳同轴设置的固体电解质陶瓷管，该正极容器的顶部通过位于所述固体电解质陶瓷管的顶面的陶瓷绝缘环，以及位于所述外壳和所述陶瓷绝缘环径向之间的正极密封环封闭；
[0017]该正极容器的底部通过底盖封闭，所述底盖分为支撑环以及底部密封件，所述底部密封件又分为水平的，环形的支撑环安装部以及位于所述支撑环安装部径向内侧，下凹且形状与所述固体电解质陶瓷管底面形状对应的圆弧形密封结构，所述支撑环的顶面与所述支撑环安装部底面的外圆周焊接固定，且所述支撑环的高度大于所述圆弧形密封结构的高度。
[0018]进一步的，所述陶瓷绝缘环的顶面固定有负极密封环，所述负极密封环分为水平的陶瓷环封接部和竖直的负极密封盖焊接部，所述陶瓷环封接部的底面通过热压封接与所述陶瓷绝缘环的顶面固定，所述负极密封盖焊接部的顶面焊接有将所述固体电解质陶瓷管径向内侧的空间封闭的负极密封盖。
[0019]采用了本发明的一种钠硫电池正极容器，包括外壳以及在所述外壳径向内侧与所述外壳同轴设置的固体电解质陶瓷管，该正极容器的顶部通过位于所述固体电解质陶瓷管的顶面的陶瓷绝缘环，以及位于所述外壳和所述陶瓷绝缘环径向之间的正极密封环封闭；该正极容器的底部通过底盖封闭，所述底盖分为支撑环以及底部密封件，所述底部密封件又分为水平的，环形的支撑环安装部以及位于所述支撑环安装部径向内侧，下凹且形状与所述固体电解质陶瓷管底面形状对应的圆弧形密封结构，所述支撑环的顶面与所述支撑环安装部底面的外圆周焊接固定，且所述支撑环的高度大于所述圆弧形密封结构的高度。其技术效果是:其不仅可以提高硫磺和多硫化钠的充放电回复率，在力学性能上，相同厚度的圆弧形密封结构的力学强度约是平底结构的四倍，提高了底盖的抗变形能力，一方面是由于支撑环的存在，允许圆弧形密封结构存在一定的变形，有效缓解多硫化钠对固体电解质陶瓷管的拉应力，降低了固体电解质陶瓷管的破裂几率。
[0020]本发明还提供了一种钠硫电池，其也能起到相同的技术效果。
【附图说明】
[0021]图1为本发明的一种钠硫电池正极容器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明:
[0023]本发明的目的是提供一种储能钠硫电池正极容器，包括外壳I以及在外壳I径向内侧的与外壳I同轴设置的固体电解质陶瓷管2。外壳I的底部通过底盖3封闭。底盖3分为支撑环31以及底部密封件32。底部密封件32又分为水平的，环形的支撑环安装部321以及位于支撑环安装部321径向内侧，下凹且形状与固体电解质陶瓷管2底面形状对应的圆弧形密封结构322，以使圆弧形密封结构322的顶面与固体电解质陶瓷管2之间形成宽度为d的间隙，SP圆弧形密封结构322和固体电解质陶瓷管2之间形成间隙配合。底部密封件32的支撑环安装部321的外圆周与外壳I底部的内圆周通过热影响区域较小的激光焊、氩弧焊或电子束焊固定。支撑环安装部31的宽度d0为5?10mm。
[0024]支撑环31和底部密封件32均采用轻质铝合金材料。支撑环31的顶面与底部密封件32中支撑环安装部321底面的外圆周之间通过激光焊、氩弧焊或电子束焊固定。支撑环31和底部密封件32中支撑环安装部321之间的焊接无密封性要求，优选的焊缝宽度在I?2mm，以保证焊缝具有良好的力学性能。
[0025]底盖3的圆弧形密封结构322和支撑环安装部321可通过模具一体成型加工。底盖3的外径公差与外壳I的外径保持一致，同时两者采用间隙配合方式便于装配，且通过激光焊接、电子束焊接和氩弧焊等方式连接，优选地采用高频连续碟片式激光焊进行焊接，其优点是焊接速度快，热影响区域较小，形成的焊缝质量优良。焊缝氦气检漏率<5X10—9Pam3S-1,焊缝宽度2mm，焊接熔深大于等于1.5mm，且焊缝无明显气孔，焊缝内水压强度超过5MPa。
[0026]支撑环31外径和壁厚与外壳I的外径以及壁厚保持一致。支撑环31的高度hi比圆弧形密封结构322的高度h2大3?5_。支撑环31的高度hi比圆弧形密封结构322的高度h2之差大于5mm，则增加电池的总高度，降低电池的质量和体积比能量比。支撑环31的高度hI比圆弧形密封结构322的高度h2之差小于3mm，则可能造成圆弧形密封结构322变形的允许值过低，并造成支撑环31的支撑失效。
[0027]同时，本发明的目的一种储能钠硫电池正极容器，还包括位于固体电解质陶瓷管2顶部的陶瓷绝缘环4，陶瓷绝缘环4的内圆周设有一个竖直台阶面41，竖直台阶面41与固体电解质陶瓷管2外圆周面和顶面之间通过玻璃封接，从而使陶瓷绝缘环4与固体电解质管2固定。
[0028]陶瓷绝缘环4与外壳I之间设有正极密封环5，从而将整个正极容器密封。正极密封环5的竖直截面为L形，正极密封环5分为竖直部51和水平部52，竖直部51的内圆周面和水平部52的顶面，对应通过热压封接，与陶瓷绝缘环4的外圆周面和底面固定。竖直部51的外径从上至下依次减小，从而使竖直部51的外圆周面与外壳I内圆周面之间的焊接面为台阶面。竖直部51的外圆周面与外壳I内圆周面之间通过激光焊接或氩弧焊固定。因此正极容器的顶部通过陶瓷绝缘环4和正极密封环5封闭。
[0029]陶瓷绝缘环4的顶面固定有负极密封环6，负极密封环6的竖直截面为L形，因此分为水平的陶瓷环封接部61和竖直的负极密封盖焊接部62。陶瓷环封接部61的底面通过热压封接与陶瓷绝缘环4的顶面固定。陶瓷环封接部61的底面与陶瓷绝缘环4的顶面之间的热压封接面为台阶面。负极密封盖7与负极密封环6的负极密封盖焊接部62的顶面焊接固定，从而将固体电解质陶瓷管2径向内侧的空间，即负极容器封闭。
[0030]同时，底部密封件32的壁厚范围为I?3mm，壁厚低于1mm，则铝合金在钠硫电池运行温度下力学强度太低。与底部密封件32中的圆弧形密封结构322与固体电解质陶瓷管2底面的间隙的宽度d为2?5_，该间隙的宽度d优选为3_，该间隙的作用是保持圆弧形密封结构322变形范围不得超过支撑环高度，维持支撑环31的支撑作用，该间隙d太小，则由于固体电解质陶瓷管2的热膨胀系数约为7 X 10—6IT1,而外壳I在相同温度范围内的热膨胀系数约为24X10—6IT1,两种材料热膨胀系数差异较大，钠硫电池升降温时由于热膨胀，固体电解质陶瓷管2有可能与底盖3相接触，在轴向产生较大应力导致陶瓷绝缘环4与正极密封环5之间的热压封接失效，该间隙d太大，则堆积在正极容器底部的硫磺和多硫化钠质量变多，一方面降低了钠硫电池活性物质的充放电利用率，另一方面，由于多硫化钠在工作范围的热膨胀系数约为35X10—6IT1,钠硫电池的温度在多硫化钠熔点以下时，多硫化钠固化对固体电解质陶瓷管2和底盖3产生拉应力，且拉应力的大小和多硫化钠层的厚度相关，多硫化钠层的厚度越大，则对固体电解质陶瓷管2和底盖3的拉应力越大，导致固体电解质陶瓷管2失效几率和底盖3变形率增大。同时增加钠硫电池的总高度，降低钠硫电池的质量和体积比能量比。
[0031]本发明的一种钠硫电池正极容器，因为其底盖3采用了圆弧形密封结构322，其不仅可以提高硫磺和多硫化钠的充放电回复率，在力学性能上，相同厚度的圆弧形密封结构322的力学强度约是平底结构的底盖3的四倍，提高了底盖3的抗变形能力，一方面是由于支撑环31的存在，允许圆弧形密封结构322存在一定的变形，有效缓解多硫化钠对固体电解质陶瓷管2的拉应力，降低了固体电解质陶瓷管2的破裂几率。
[0032]本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
【主权项】
1.一种钠硫电池正极容器，包括外壳以及在所述外壳径向内侧与所述外壳同轴设置的固体电解质陶瓷管，该正极容器的顶部通过位于所述固体电解质陶瓷管的顶面的陶瓷绝缘环，以及位于所述外壳和所述陶瓷绝缘环径向之间的正极密封环封闭；其特征在于: 该正极容器的底部通过底盖封闭，所述底盖分为支撑环以及底部密封件，所述底部密封件又分为水平的，环形的支撑环安装部以及位于所述支撑环安装部径向内侧，下凹且形状与所述固体电解质陶瓷管底面形状对应的圆弧形密封结构，所述支撑环的顶面与所述支撑环安装部底面的外圆周焊接固定，且所述支撑环的高度大于所述圆弧形密封结构的高度。2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池正极容器，其特征在于:所述支撑环的高度比所述圆弧形密封结构的高度大3?5_。3.根据权利要求1所述的一种钠硫电池正极容器，其特征在于:所述圆弧形密封结构与所述固体电解质陶瓷管底面之间的间隙的宽度为2?5mm。4.根据权利要求1所述的一种钠硫电池正极容器，其特征在于:所述支撑环安装部的宽度为5?10mm。5.根据权利要求1所述的一种钠硫电池正极容器，其特征在于:所述支撑环的外径和壁厚，与所述外壳的外径和壁厚保持一致。6.根据权利要求1所述的一种钠硫电池正极容器，其特征在于:所述正极密封环分为竖直部和水平部，所述竖直部的内圆周面和所述水平部的顶面，对应通过热压封接，与所述陶瓷绝缘环的外圆周面和底面固定，所述竖直部的外圆周面与所述外壳的内圆周面之间通过焊接固定。7.根据权利要求6所述的一种钠硫电池正极容器，其特征在于:所述正极密封环的外圆周面与所述外壳的内圆周面之间的焊接面为台阶面。8.—种钠硫电池，其特征在于:其包括根据权利要求1?7中任意一项所述的钠硫电池正极容器。9.根据权利要求8所述的一种钠硫电池，其特征在于:所述陶瓷绝缘环的顶面固定有负极密封环，所述负极密封环分为水平的陶瓷环封接部和竖直的负极密封盖焊接部，所述陶瓷环封接部的底面通过热压封接与所述陶瓷绝缘环的顶面固定，所述负极密封盖焊接部的顶面焊接有将所述固体电解质陶瓷管径向内侧的空间封闭的负极密封盖。
【文档编号】H01M10/39GK106099214SQ201610681092
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月17日 公开号201610681092.3, CN 106099214 A, CN 106099214A, CN 201610681092, CN-A-106099214, CN106099214 A, CN106099214A, CN201610681092, CN201610681092.3
【发明人】龚明光, 鲍剑明, 徐中超, 刘宇
【申请人】上海电气钠硫储能技术有限公司