专利名称：密封环和相关联的方法
技术领域：
本发明包括涉及用于能量储存装置的密封材料和密封环的实施例。本发明包括涉 及密封电化学电池的方法的实施例。
背景技术：
已对使用钠用于负电极的高温可再充电电池进行开发工作。利用钠离子传导的固 态电解质来分隔液态钠负电极与正电极。合适材料包括β氧化铝和β “氧化铝，被称作β 氧化铝分隔件电解质(BASE)。某些电化学电池具有金属壳体。电池与金属壳体的内部部件 可密封到电池的内部部件。电池的陶瓷部件可经由密封玻璃而接合。密封玻璃可具有与其 使用相关联的不合需要的特征。金属部件可通过焊接或者热压缩结合而接合。由高温电池 中不同材料形成的结合部件可能会开裂，这是由于热膨胀系数失配所致的热应力造成。陶 瓷部件与金属部件的热膨胀系数可非常不同。该结合可具有有限寿命，且结合故障可造成 电池故障。可需要用于能量储存装置的密封材料，其不同于目前可用的那些密封材料。可需 要不同于目前可用的那些密封结构的密封结构。可需要不同于目前可用的那些方法的密封 能量储存装置的密封方法。
发明内容
根据本发明的实施例，提供一种包括用于能量储存装置的密封环的物品。密封环 包括可焊接的第一部分和可焊接的第二部分。可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可由 电绝缘的第三部分而彼此电隔离。根据本发明的实施例，提供一种包括用于能量储存装置的密封环的物品。密封环 包括第一部分和第二部分。第一部分与第二部分中的每一个包括基于氧化铝的金属陶瓷， 基于氧化铝的金属陶瓷具有足以允许焊接该密封环的金属量。第三区插置于第一部分与第 二部分之间，且其电绝缘使得其电隔离第一部分与第二部分。在本发明的一实施例中提供一种能量储存装置。该装置包括离子传导且电绝缘的 基于氧化铝的分隔件。该分隔件具有第一表面，其限定第一腔室的至少一部分；以及，第 二表面，其限定第二腔室，并且第一腔室通过分隔件与第二腔室离子连通。该装置还包括阴 极材料。阴极材料包括金属卤化物，金属卤化物与分隔件连通且能够形成能通过分隔件传 导的离子。而且，该装置包括密封环。密封环包括第一部分和第二部分，第一部分和第二部 分各包括基于氧化铝的金属陶瓷。第三区插置于密封环的第一部分与第二部分之间且电绝 缘。密封环通过与在能量储存装置操作期间形成的金属卤化物的反应产物接触而耐受腐蚀 或降解。在一实施例中，第二腔室是阳极腔室，其可包括在使用期间熔融的阳极材料。合适 的阳极材料可包括金属钠。环表面的部分和/或焊接结构的部分和/或玻璃密封的部分可 尤其遭受高温金属钠蒸汽、关于热膨胀系数失配的热循环和其它情况。密封环、焊接结构和玻璃密封的材料和特点的选择应考虑操作条件。根据本发明的实施例，提供一种形成密封环的方法，该密封环能密封能量储存装 置。密封环具有高金属含量的第一部分，或者可在该第一部分焊接；且具有高金属含量的第 二部分，或者可在该第二部分焊接。而且，第一部分与第二部分由电绝缘部分而电隔离。
图1是根据本发明的一实施例的物品的截面侧视示意图。
具体实施例方式本发明包括涉及用于能量储存装置的密封材料和密封环的实施例。本发明包括涉 及密封能量储存装置中的电化学电池方法的实施例。如本文所用的阴极材料是在充电期间供应电子且作为氧化还原反应的部分存在 的材料。阳极材料在充电期间接受电子且作为氧化还原反应的部分存在。整料是单块或单 件，与通过将多个块或多个件融合或结合在一起制成的部件区别。用语焊接用于通过热或压缩而联合或熔合(为金属件)。为了易于说明，除非由 语言或上下文另外表示，用语“焊接”包括热压缩结合、锡焊和钎焊，作为传统焊接意义的补 充。为了焊接，合适能源可包括火焰、等离子体、电弧、激光、电子束、摩擦、RF和超声。在一 实施例中，焊接合并待接合的部件。发生合并，其中两个或两个以上的可焊接的材料件通过 液化它们要结合的位置，使这些液体一起流动和允许液体固化而结合在一起。在合并过程 结束时，两件变成一个连续固体。如在整个说明书和权利要求中所用的近似语言可用于修饰任何定量表示，这些定 量表示可允许变化而不会导致其所相关的基础功能变化。因此，由诸如“大约”用语修饰的 值并不限于所规定的精确值。在某些情形下，近似语言可对应于用于测量该值的仪器的精度。根据本发明的实施例，提供包括用于能量储存装置的密封环的物品。密封环包括 可焊接的第一部分和可焊接的第二部分。可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可由电绝 缘的第三部分而彼此电隔离。在一实施例中，密封环是整料。可焊接的第一部分和可焊接的第二部分可由组成和/或功能而限定。可焊接的第 一部分无需具有与可焊接的第二部分相同的组成。在可焊接的第一部分密封到可焊接的第 二部分所密封的部件上的情况下，可焊接的部分可在组成上彼此不同。在一实施例中，可焊 接的第一部分与可焊接的第二部分可具有相同的金属陶瓷，即，相同的陶瓷金属组成。在一 实施例中，可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可包括不同的金属陶瓷。用于可焊接的 第一部分与可焊接的第二部分的组成可在金属陶瓷中所存在的陶瓷材料的类型或量，金属 陶瓷中存在的金属的类型或量，以及金属陶瓷中存在的金属与陶瓷的比例方面不同。关于密封环，功能涉及焊接或压缩结合到配合表面上的能力。关于组成，密封环包 括金属陶瓷，金属陶瓷限定可焊接的第一部分与可焊接的第二部分的边界。金属陶瓷是由 陶瓷与金属材料构成的复合材料。金属陶瓷的性质取决于如下因素陶瓷和金属的个别性 质，金属陶瓷组合物中陶瓷与金属的量和关系以及其它因素。金属陶瓷的陶瓷材料可包括氧化铝、硅石、氧化钇和氧化镱中的一种或多种。合适氧化铝可呈单晶蓝宝石或微晶多晶氧化铝(μ PCA)的形式。该硅石可呈石榴石的形式。其 它合适的材料混合物或形式可包括尖晶石、钇铝石榴石、镱铝石榴石。在一实施例中，金属 陶瓷的陶瓷材料基本上仅由微晶多晶氧化铝(μ PCA)、钇铝石榴石或镱铝石榴石中的一种 组成。在一实施例中，陶瓷材料基本上由氧化铝组成。合适的金属陶瓷可包括安置于限定部分或区域中的耐火金属。合适耐火金属可包 括允许焊接的那些金属。合适耐火金属的实例可包括钼、铼、钽或钨中的一种或多种。在一 实施例中，金属陶瓷可包括钼、铼、钽或钨中的仅一种。在一实施例中，金属陶瓷可包括选自 钼、铼、钽或钨的耐火金属中的两种。金属陶瓷可包括基本上由钨组成的耐火金属。金属陶 瓷可包括基本上由钼组成的耐火金属。在可焊接的第一部分与可焊接的第二部分中的金属陶瓷的可焊性能可至少部分 地取决于所存在的耐火金属的类型和量。在金属陶瓷中的耐火金属的比例可小于大约80% 体积。在一实施例中，在金属陶瓷中耐火金属的比例可在大约100%体积至大约50%体积， 从大约50 %体积至大约45 %体积，从大约45 %体积至大约35 %体积，从大约35 %体积至大 约30 %体积，从大约30 %体积至大约25 %体积，从大约25 %体积至大约20 %体积，从大约 20%体积至大约15%体积，从大约15%体积至大约10%体积，从大约10%体积至大约5% 体积，或者从大约5%体积至大约体积。在一实施例中，在金属陶瓷中的耐火金属的比 例可小于大约体积。视情况，可焊接的第一部分和/或可焊接的第二部分可各包括单向功能梯度金属 陶瓷(unidirectional functionally graded cermet)。功能梯度金属陶瓷是陶瓷与金属 的复合物，其中金属与陶瓷的比例随着在一个方向上的距离而变化。对金属与陶瓷的比例 或比率的控制提供对功能梯度金属陶瓷的性质的控制。这些性质包括下列性质中的一种或 多种热膨胀系数(CTE)、泊松比、弹性模数、抗裂性、抗冲击性、导电性、氧化、浮渣、熔渣、 热稳定性、耐化学性、熔融温度、可焊性和类似性质。另外，在一实施例中，可焊接的第一部 分和/或可焊接的第二部分可各包括双向功能梯度金属陶瓷。在此实施例中，陶瓷与金属 的比例或比率随着在两个方向上的距离而改变。比例或比率随距离的变化可在该距离上是 连续的和均勻的，可在该距离上连续且加速或减速，或者可为阶跃函数，其具有基本上不变 比例或比率的离散区段。可选择用于可焊接的第一部分与可焊接的第二部分的金属陶瓷的组成以最小化 或消除热应力。热应力可由于该装置的不同构件之间的热膨胀系数失配造成。在可焊接部 分中耐火金属的更高的比例可相对容易地焊接到其它金属构件或部件上。在一实施例中，可焊接部分或区域包括钢。不锈钢或耐腐蚀钢是具有相对较高的 耐腐蚀性的基于铁的合金的一族。这些钢不会生锈且抵抗许多液体、气体和化学品的攻击。 许多不锈钢具有良好的低温韧性和延展性。它们中的大部分具有良好的强度性质且抵抗在 高温生成氧化皮(scaling)。所有不锈钢包含铁作为主要元素和在大约11%至大约30%的 量的铬。铬向不锈钢提供基本耐腐蚀性。在一实施例中，可焊接部分或区域包括镍且可基 本上由镍组成。用于可焊接部分的金属的选择可包括参考配合焊接表面。在一实施例中，配合焊 接表面是铬-镍不锈钢。虽然设想到其它配合焊接表面，但此处讨论不锈钢作为金属选择 考虑的实例。在一实施例中，可控制在焊接结构中的铁和镍含量以影响导热性和导电性。铬-镍钢属于AISI/SAE 300系列不锈钢，其可参考以上指出的标准来选择。不锈钢配合表 面可为非磁性的且具有受控制的晶粒大小、晶粒方位，或者微结构，诸如奥氏体或马氏体微 结构。可形成可焊接的部分或可焊接的区域以匹配其所焊接的相对应的配合表面的性质、 组成和特征。可向某些可焊接部分添加锰。可由锰来替换镍，可能以二比一的关系。关于外壳， AISI/SAE 200系列不锈钢是铬-镍-锰系列，且这些钢具有奥氏体微结构且它们是非磁性 的。钼可包括在可焊接的部分中。钼可改进高温的耐蠕变性，且可增加耐点蚀和腐蚀性。可焊接的第一部分可接触能量储存装置的第一极且可焊接的第二部分可接触能 量储存装置的第二极。极是装置的电极。能量储存装置的第一极可为正极且第二极可为负 极。电绝缘的第三部分电隔离可焊接的第一部分与可焊接的第二部分。第三部分可物 理地分隔阳极材料与阴极材料。第三部分可包括电绝缘材料或由电绝缘材料形成。用于电 绝缘材料的合适材料可包括氧化铝。第三部分或区域中材料的介电强度大于阳极材料与阴 极材料之间的电压或电流电位差。如果使用更低介电常数材料，那么可选择第三区域的宽 度更大(且可用相反配置)。在一实施例中，第三区域或部分具有在表1中所列出的组成和 性质。表1-第三区域性质
权利要求
1.一种物品，包括用于能量储存装置的密封环，所述密封环具有可焊接的第一部分与可焊接的第二部 分，所述可焊接的第一部分与可焊接的第二部分可通过电绝缘的第三部分而彼此电隔离。
2.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述可焊接的第一部分接触所述能量储 存装置的第一极，且所述可焊接的第二部分接触所述能量储存装置的第二极。
3.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述可焊接的第一部分和所述可焊接的 第二部分中的至少一个包括金属陶瓷。
4.根据权利要求3所述的物品，其特征在于，所述金属陶瓷包括选自氧化铝、硅石、氧 化钇和氧化镱的陶瓷材料。
5.根据权利要求4所述的物品，其特征在于，所述可焊接的第一部分与所述可焊接的 第二部分中的至少一个基本上由基于氧化铝的金属陶瓷组成，所述基于氧化铝的金属陶瓷 具有足以焊接的金属含量。
6.根据权利要求3所述的物品，其特征在于，所述金属陶瓷包括至少一种耐火金属。
7.根据权利要求6所述的物品，其特征在于，所述耐火金属包括钼、铼、钽或钨中的一 种或多种。
8.根据权利要求6所述的物品，其特征在于，所述可焊接的第一部分和所述可焊接的 第二部分中的至少一个包括镍、铁或铬中的至少一种。
9.根据权利要求6所述的物品，其特征在于，在金属陶瓷材料中的耐火金属的量在大 约5 %体积至大约50 %体积的范围内。
10.根据权利要求6所述的物品，其特征在于，在金属陶瓷材料中的耐火金属的量在大 约51%体积至大约100%体积的范围内。
11.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述电绝缘的第三部分包括氧化铝，所 述氧化铝具有在1兆赫大于9的介电强度。
12.根据权利要求1所述的物品，其特征在于，所述密封环还包括第四部分，所述第四 部分是热膨胀系数在秒号β氧化铝分隔件的热膨胀系数的10%内的基于氧化铝的材料。
13.根据权利要求12所述的物品，其特征在于还包括分隔件，且所述密封环的第四部 分固定到所述分隔件上，且在所述密封环内的所述可焊接的第一部分、所述可焊接的第二 部分、所述电绝缘的第三部分和所述第四部分可相对于彼此定向或定位以最小化在所述密 封环的操作与加热期间的热应力。
14.根据权利要求1所述的物品，其特征在于还包括固定到所述第一部分上的第一焊 接结构和固定到所述密封环的第二部分上的第二焊接结构。
15.一种物品，包括密封环，其被配置成用于能量储存装置中，所述密封环包括第一部分和第二部分，所述 第一部分和第二部分各包括基于氧化铝的金属陶瓷，所述基于氧化铝的金属陶瓷包括足以 焊接的金属或金属合金量，且所述金属陶瓷包括选自硅石、氧化钇和氧化镱的陶瓷材料；并 且所述密封环还包括第三区，所述第三区插置于所述第一部分与第二部分之间，所述第 三区是充分电绝缘的并且具有足够的厚度以电隔离所述第一部分与所述第二部分。
16.一种具有金属外壳的能量储存装置，包括阴极材料，其包括金属卤化物，所述金属卤化物与离子传导且电绝缘的分隔件连通，且 所述阴极材料形成能通过所述分隔件传导的离子；整体密封环，其包括第一部分和另一部分，所述第一部分密封到所述金属外壳上，所述 另一部分与所述第一部分电隔离且密封到帽上，并且所述密封环通过与在所述能量储存装置操作期间形成的所述金属卤化物的反应产物 接触而耐受腐蚀或降解。
17.根据权利要求16所述的能量储存装置，其特征在于，所述密封环还包括电绝缘的 第三部分，所述第三部分安置于所述第一部分之间，且所述密封环的金属含量取决于在所 述密封环中的位置使得所述第三部分具有比所述密封环的其它部分相对更少非氧化金属 含量，并且金属浓度从至少一个密封环部分到另一密封环部分的变化率是逐渐的以便形成在所 述密封环上径向的浓度梯度。
18.根据权利要求16所述的能量储存装置，其特征在于，所述阴极材料包括选自铜、 铬、铁、镍和锌中的一种或多种金属。
19.根据权利要求16所述的能量储存装置，其特征在于，所述阴极材料包括选自氯、 氟、嗅和碘中的一种或多种卤化物。
20.一种方法，包括形成密封环，所述密封环具有导电的第一部分与导电的第二部分，所述导电的第二部 分通过电绝缘的中间部分而与可焊接的第一部分分隔开。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于还包括通过将所述第一部分固定到能量 储存装置的金属外壳上和将所述第二部分固定到所述能量储存装置的内部构件上而利用 所述密封环来密封所述能量储存装置。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述密封包括焊接或热压缩结合。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，焊接包括超声焊接、电弧焊接或能量束 焊接。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，焊接包括钎焊。
25.根据权利要求21所述的方法，其特征在于还包括将所述密封环的第四部分固定到 安置于所述金属外壳内的离子传导的基于氧化铝的分隔件上。
全文摘要
一种物品，其包括用于能量储存装置的密封环。该密封环具有可焊接的第一部分和可焊接的第二部分。该第一部分与第二部分可通过电绝缘的第三部分而彼此电隔离。
文档编号H01M2/08GK102124590SQ200980132797
公开日2011年7月13日 申请日期2009年7月14日 优先权日2008年8月19日
发明者C·D·亚科文格罗, C·斯特林格, D·J·达尔普, J·A·布鲁尔, J·S·瓦图利 申请人:通用电气公司