一种钠硫电池负极的制作方法
【专利摘要】本发明公开了化学储能领域的一种钠硫电池负极，包括电解质陶瓷管；所述电解质陶瓷管径向内侧形成负极室，所述电解质陶瓷管的顶面上设有径向向外突出的陶瓷绝缘环，所述负极室内设有储钠管以及套接在所述储钠管外侧的安全管，所述储钠管的顶部通过负极密封盖封闭，所述陶瓷绝缘环与所述负极密封盖之间设有负极密封环，将所述负极室封闭；所述安全管外壁的底部与所述电解质陶瓷管内壁的底部之间设有绝缘且对液态钠不浸润的缓冲层，所述电解质陶瓷管外壁的底部设有绝缘且对硫和多硫化钠不浸润的底部保护层。其技术效果是：在保护电解质陶瓷管底部不参与反应的同时，降低对电解质陶瓷管垂直度和底部圆度的要求。
【专利说明】—种钠硫电池负极
【技术领域】
[0001]本发明涉及化学储能领域的一种钠硫电池负极。
【背景技术】
[0002]如图1所示，钠硫电池负极包括电解质陶瓷管4，电解质陶瓷管4内形成负极室400。负极室400内设有安全管8和储钠管9，安全管8套接在储钠管9的外侧。储钠管9的底部设有贯通孔91，储钠管9的顶部和负极室400通过负极密封盖11封闭。电解质陶瓷管4的顶面上设有径向向外突出的陶瓷绝缘环3。
[0003]钠硫电池的核心部件是电解质陶瓷管4，电解质陶瓷管4由β ”_Α1203制成，其传导钠离子，兼做隔膜。钠硫电池循环寿命在很大程度上取决于电解质陶瓷管4的质量性能。一旦电解质陶瓷管4有微裂纹或者破裂，钠和硫直接接触发生剧烈反应，温度最高可达20000C，瞬间熔化钠硫电池内的所有组件，造成活性物质泄漏。现有钠硫电池负极采用在电解质陶瓷管4与储钠管9之间套接与电解质陶瓷管4膨胀系数相差较大的安全管8，安全管8通常由铝或铝合金制成，安全管8与电解质陶瓷管4内壁之间的径向间隙401，径向间隙401的宽度控制在100微米，当电解质陶瓷管4破损后，安全管8轴向膨胀紧贴电解质陶瓷管4的内壁，并且给予电解质陶瓷管4的底部的内壁以压力，该压力大于电解质陶瓷管4底部外壁所受到的压力，同时，安全管8也径向膨胀，安全管8与电解质陶瓷管4之间的径向间隙401闭合，钠和硫无法接触。这样设计的钠硫电池负极对于电解质陶瓷管4的垂直度，以及电解质陶瓷管4底部的圆度要求较高，因此加工电解质陶瓷管4费时费力，同时电解质陶瓷管4在使用过程中极易损坏。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池负极，其能够在保护电解质陶瓷管底部不参与反应的同时，降低对电解质陶瓷管垂直度和底部圆度的要求，延长电解质陶瓷管的使用寿命，保证钠硫电池的安全运行。
[0005]实现上述目的的一种技术方案是:一种钠硫电池负极，包括电解质陶瓷管；所述电解质陶瓷管径向内侧形成负极室，所述电解质陶瓷管的顶面上设有径向向外突出的陶瓷绝缘环，所述负极室内设有储钠管以及套接在所述储钠管外侧的安全管，所述储钠管的顶部通过负极密封盖封闭，所述陶瓷绝缘环与所述负极密封盖之间设有负极密封环7，将所述负极室封闭；
[0006]所述安全管外壁的底部与所述电解质陶瓷管内壁的底部之间设有绝缘且对液态钠不浸润的缓冲层5，所述电解质陶瓷管外壁的底部设有绝缘且对硫和多硫化钠不浸润的底部保护层。
[0007]进一步的，所述缓冲层是采用氧化锆、氮化硅、氧化铝粉或碳粉中的任意一种或多种，所述底部保护层采用硅酸铝纤维。
[0008]进一步的，所述安全管与所述电解质陶瓷管之间的径向间隙中设有间隙填充层，所述间隙填充层由金属纤维编成，且所述间隙填充层的孔隙率为30?50%。
[0009]进一步的，所述储钠管的底部设有贯通孔和过滤层，所述过滤层是由或者不锈钢的纤维编织成的。
[0010]再进一步的，所述储钠管和所述安全管的底部均为矩形底。
[0011]进一步的，所述安全管的顶面高于所述电解质陶瓷管的顶面。
[0012]进一步的，所述储钠管内均填充有保护气体。
[0013]再进一步的，所述储钠管内的保护气体均为氮气或氩气。
[0014]采用了本发明的一种钠硫电池负极的技术方案，即在钠硫电池负极中，在安全管外壁的底部与电解质陶瓷管内壁的底部之间设置绝缘且对液态钠不浸润的缓冲层，在电解质陶瓷管外壁的底部设置绝缘且对硫和多硫化钠不浸润的底部保护层的技术方案。其技术效果是:在保护电解质陶瓷管底部不参与反应的同时，降低对电解质陶瓷管垂直度和底部圆度的要求，延长电解质陶瓷管的使用寿命，保证钠硫电池的安全运行。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为现有技术钠硫电池的结构示意图。
[0016]图2为本发明的一种钠硫电池负极的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]请参阅图2，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:
[0018]请参阅图2，本发明的一种钠硫电池负极，包括电解质陶瓷管4，电解质陶瓷管4内形成负极室400。
[0019]负极室400内设有安全管8和储钠管9。储钠管9的顶部与负极密封盖11焊接，从而将储钠管9封闭。安全管8套接在储钠管9的外侧。
[0020]电解质陶瓷管4的顶面上固定有径向向外突出的陶瓷绝缘环3，负极密封盖11和陶瓷绝缘环3的顶面之间设有负极密封环7，将负极室400封闭。
[0021]储钠管9作用是储存液态钠，储钠管9可采用焊接性能和刚性都良好的奥氏体不锈钢，负极密封盖11也采用奥氏体不锈钢，使储钠管9的顶部能够与负极密封盖11焊接。储钠管9的底部采用矩形底。储钠管9的底部设有贯通孔91。贯通孔91的直径0.3-lmm,用以限制液态钠从储钠管9流向安全管8的流速。为了保证储钠管9的强度以及钠硫电池的安全运行，储钠管9的壁厚0.8-1.5_。
[0022]安全管8套接在储钠管9的外侧，安全管8采用纯铝或者变形铝合金，采用冷拉法获得，壁厚0.5-lmm,以保证其强度。其作用在于将储钠管9中的液态钠和正极室中液态的硫分离。安全管8的内径大于储钠管9的外径0.6?1.2mm,以控制安全管8内液态钠的量，从而保证钠硫电池的安全运行。同时，安全管8与电解质陶瓷管4径向之间设有径向间隙401。径向间隙的宽度为100?120微米。另外一方面，安全管8的顶面高于电解质陶瓷管4的顶面，优选的方式为高于陶瓷绝缘环3的顶面，以杜绝在陶瓷绝缘管4破裂时，液态钠从电解质陶瓷管4的顶部渗入正极室，与正极室内的硫发生反应。
[0023]由于安全管8的底部为矩形底，而电解质陶瓷管4的底部的是半球形的，因此，安全管8的底部与陶瓷电解管4底部的内壁之间要设置缓冲层5。缓冲层5的可采用氧化锆、氮化硅、氧化铝粉、碳粉等物质，这些物质不能与液态钠发生化学反应，对液态钠不浸润，且绝缘性能良好。缓冲层5的作用在于保护电解质陶瓷管4底部，减少安全管8对于电解质陶瓷管4底部的压力，同时减少负极室400内的参与反应的钠的质量，防止电解质陶瓷管4底部参与反应，确保电解质陶瓷管4底部的安全性。并降低了对于电解质陶瓷管4垂直度以及底部圆度的要求。
[0024]同时，储钠管9的底部还设有过滤层92，过滤层92主要是由金属纤维编织而成，特别是柔软的304或者316L不锈钢纤维编织而成的，金属纤维直径8-20微米。过滤层92作用是过滤液态钠中的高熔点杂质微粒，比如碳酸钠微粒，以及未熔融金属钠微粒等，防止贯通孔91被堵塞，以及防止这些颗粒进入安全管8与电解质陶瓷管4之间的径向间隙401，进而造成该径向间隙401被堵塞，保证液态钠的顺畅流入安全管8与电解质陶瓷管之间的径向间隙401，从而防止钠硫电池因为电解质陶瓷管4因为得不到充分的液态钠的供应而失效。
[0025]储钠管9中的过滤层92具有多孔结构，该多孔结构的孔径小于10 μ m,以防止粒径大于10 μ m的微粒进入该径向间隙401，影响该径向间隙401的封闭。
[0026]在径向间隙401中，还填充有间隙填充层13，间隙填充层13由金属纤维，尤其是柔软的304或者316L不锈钢纤维编织而成的。间隙填充层13的孔隙率为30-50%。间隙填充层13对液态钠有吸附作用，同时，由于参加反应的液态钠仅为电解质陶瓷管4的内壁和安全管8外壁之间的径向间隙401中的液态钠，因此间隙填充层13的吸附作用还可以减少参与反应的液态钠量，从而有效控制电解质陶瓷管4破裂或生成微裂纹时钠硫电池的温度在600°C以下。
[0027]同时，电解质陶瓷管4外壁的底部设有底部保护层10，其厚度d3为10?30mm。底部保护层10的主要作用是阻止电解质陶瓷管4的底部发生液态钠与液态硫的电化学反应，底部保护层10可采用绝缘性能优秀，且对硫或多硫化钠不浸润的无机耐火纤维材料。底部保护层10的优选材料为硅酸铝纤维。
[0028]通过缓冲层5和底部保护层10的协同作用，可以防止电解质陶瓷管4底部的液态钠参与反应，保护电解质陶瓷管4底部的同时，降低了对于电解质陶瓷管4垂直度和底部圆度的要求，防止电解质陶瓷管4破裂，延长电解质陶瓷管4的使用寿命，保证钠硫电池的安全运行。
[0029]钠硫电池工作时，储钠管9内的液态钠，经过滤层92和贯通孔91进入安全管8，再从安全管8的顶部，溢流到所述径向间隙401内，径向间隙401内的液态钠进入到电解质陶瓷管4的内壁，发生失电子反应，变成钠离子后，钠离子透过电解质陶瓷管4，从电解质陶瓷管4外壁的穿出，进入正极室与液态硫反应，生成多硫化钠。在电解质陶瓷管4发生破裂或生成微裂纹时，安全管8的径向膨胀可减少径向间隙401中的钠，保证了对钠硫电池的安全保护切实有效，控制钠硫电池的温度在600°C以内。
[0030]钠硫电池的另外一项改进在于:储钠管9的上部空间93，即液态钠的液面与负极密封盖11之间的空隙中填充有保护气体，该保护气体无法溶解在液态钠中，也无法与液态钠发生反应。该保护气体优选为氮气或者氩气，从规模生产的角度上来说，优选为氮气。在钠硫电池的工作温度下，储钠管9内的气压Pl为0.2-2个标准大气压。储钠管9的上部空 间93的体积为VI。
【权利要求】
1.一种钠硫电池负极，包括电解质陶瓷管(4);所述电解质陶瓷管(4)径向内侧形成负极室(400)，所述电解质陶瓷管(4)的顶面上设有径向向外突出的陶瓷绝缘环(3)，所述负极室(400)内设有储钠管(9)以及套接在所述储钠管(9)外侧的安全管(8)，所述储钠管(9)的顶部通过负极密封盖(11)封闭，所述陶瓷绝缘环(3)与所述负极密封盖(11)之间设有负极密封环(7 )，将所述负极室(400 )封闭，其特征在于: 所述安全管(8)外壁的底部与所述电解质陶瓷管(4)内壁的底部设有绝缘且对液态钠不浸润的缓冲层(5)，所述电解质陶瓷管(4)外壁的底部设有绝缘且对硫和多硫化钠不浸润的底部保护层(10)。
2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池负极，其特征在于:所述缓冲层(5)是采用氧化锆、氮化硅、氧化铝粉或碳粉中的任意一种或多种，所述底部保护层(10)采用硅酸铝纤维。
3.根据权利要求1所述的一种钠硫电池负极，其特征在于:所述安全管(8)与所述电解质陶瓷管(4)之间的径向间隙(401)中设有间隙填充层(13)，所述间隙填充层(13)由金属纤维编成，且所述间隙填充层(13)的孔隙率为30?50%。
4.根据权利要求1所述的一种钠硫电池负极，其特征在于:所述储钠管(9)的底部设有贯通孔(91)和过滤层(92)，所述过滤层(92)是由304或者316不锈钢的纤维编织成的。
5.根据权利要求4所述的一种钠硫电池负极，其特征在于:所述储钠管(9)和所述安全管(8)的底部均为矩形底。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种钠硫电池负极，其特征在于:所述安全管(8)的顶面高于所述电解质陶瓷管(4)的顶面。
7.根据权利要求1至5中任意一项所述的一种钠硫电池负极，其特征在于:所述储钠管(9)内均填充有保护气体。
8.根据权利要求7所述的一种钠硫电池负极，其特征在于:所述储钠管(9)内的保护气体均为氮气或氩气。
【文档编号】H01M4/62GK103531856SQ201310485934
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月17日 优先权日:2013年10月17日
【发明者】龚明光, 刘宇, 周日生, 潘红涛, 鲍剑明 申请人:上海电气钠硫储能技术有限公司