一种钠硫液流电池、电池堆的制作方法

本发明涉及钠硫电池，具体涉及钠硫液流电池、电池堆。

背景技术：

1、钠硫电池在20世纪60年代由福特公司首先开发，随后美国nasa实验室对其进行了系统研究。钠硫电池是一种钠和硫或多硫化钠作为电池负极和正极活性材料、陶瓷电解质naβ"-al2o3作为电解质隔膜的高温二次电池。基本的电池放电反应为2na+xs→na2sx(x＝3～5)，充电反应为上述逆反应。钠硫电池一般设计为中心钠负极的管式结构，即在固体电解质管内形成负极。电池由钠负极、钠极安全管、陶瓷固体电解质(一般为β"-al2o3)、硫(或多硫化钠)正极、硫极导电网络(一般为碳毡)、集流体和外壳等部分组成。钠硫电池的工作温度在300～350℃，此时钠与s或na2sx(3≤x≤8)均呈液态，β"-al2o3具有高的离子电导率(约0.2s/cm)，电池具有快速的充放电反应动力学。

2、2011年，东京电力公司为三菱材料株式会社筑波厂安装的钠硫电池(ngk生产)系统发生火灾。虽然着火后8h火势得到了控制，但这引发了人们对钠硫电池安全性的担忧。在电池工作温度下，钠和硫发生反应的热焓为-420kj/mol，因此一旦陶瓷电解质破损或开裂，熔融钠和熔融硫直接接触，电芯的温度迅速上升，容易发生热失控的严重后果。因此，提高钠硫电池的安全性成为其发展的首要问题之一，而钠硫电池液流化可以较好地解决这一问题。

3、中国专利(申请号cn202110113570)公开了一种液流型钠硫电池，该液流型钠硫电池至少含有一个结构单元；所述结构单元包括：正极室、负极室、以及位于正极室和负极室之间且用于隔开正极活性物质s和负极活性物质na的beta-al2o3电解质隔膜或nasicon结构的na导体电解质隔膜；所述液流型钠硫电池还包括：连接在正极室两侧的用于储存正极活性物质s的正极储存罐、或/和连接在负极室两侧的用于储存负极活性物质na的负极储存罐。该液流型钠硫电池的反应可以通过活性物质的输送和切断及时开启和中止，当电池发生内部短路时，通过活性物质的切断，可阻断短路反应的蔓延，实现对钠硫电池安全性的提升。然而，该液流型钠硫电池还存在一些未解决的技术问题：

4、1，不同于传统钠硫电池的硫碳正极，该电池正极室中可流动的硫或多硫化钠均为电子绝缘体，在没有导电网络的条件下，难以进行电化学反应。

5、2，负极室中的金属钠为电子导体，在电池单体串联成组时，各电池单体正、负极被金属钠回路短路，电池组不能工作。

6、3，当陶瓷电解质膜破裂时，从外部切断活性物质的输送，虽然安全事故规模有所降低，但其内部藏存的正负极活性物仍然可以持续反应相当长的时间，产生大量热量，引发电池热失控。因此，没有从根本上解决安全隐患问题。

技术实现思路

1、鉴于现有液流型钠硫电池所存在的上述技术问题，本发明提供一种钠硫液流电池、电池堆。

2、本发明的技术方案首先提供一种钠硫液流电池，包括负极流道、正极流道，以及介于其二者之间的陶瓷电解质膜，还包括：

3、多孔阴极膜，其设置于所述陶瓷电解质膜与所述正极流道之间；以及

4、多孔安全膜，其设置于所述负极流道与所述陶瓷电解质膜之间。

5、优选地，所述多孔阴极膜为石墨毡、碳毡或碳布。

6、优选地，所述多孔安全膜为多孔金属、多孔陶瓷或多孔金属陶瓷中的一种或多种组合。

7、优选地，所述多孔安全膜与所述陶瓷电解质膜结合为一体，形成以所述多孔安全膜为支撑层的支撑型陶瓷电解质膜结构。

8、优选地，所述负极流道中的流体压力小于所述正极流道中的流体压力。

9、本发明的技术方案还提供一种钠硫液流电池堆，包括串联连接的多个上述任一项所述的钠硫液流电池；

10、每一所述钠硫液流电池的负极流道入口端均经过液流绝缘装置与第一管道连通；

11、每一所述钠硫液流电池的负极流道出口端均经过液流绝缘装置与第二管道连通；

12、每一所述钠硫液流电池的正极流道入口端均与第三管道连通；

13、每一所述钠硫液流电池的正极流道出口端均与第四管道连通。

14、优选地，每一所述正极流道入口端均经过液流绝缘装置与第三管道连通；

15、每一所述正极流道出口端均经过液流绝缘装置与第四管道连通。

16、优选地，所述流体绝缘装置为绝缘滴流管。

17、本发明的钠硫液流电池、电池堆通过在该钠硫液流电池中设置的多孔阴极膜为正极活性物电化学反应提供导电网络；通过在该钠硫液流电池中设置的多孔安全膜，可以在电池陶瓷电解质膜破裂的情况下，利用生成物的隔离，及时自修复裂口，从根本上提升钠硫液流电池的安全性。

18、在电池负极流道的进口端和出口端设置流体绝缘装置进行电气隔离，使负极与金属钠输送管路之间绝缘，解决了该电池在组成电池堆时的正负极短路问题。

技术特征：

1.一种钠硫液流电池，包括负极流道(1)、正极流道(2)，以及介于其二者之间的陶瓷电解质膜(3)，其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的钠硫液流电池，其特征在于，所述多孔阴极膜(4)为石墨毡、碳毡或碳布。

3.根据权利要求1所述的钠硫液流电池，其特征在于，所述多孔安全膜(5)为多孔金属、多孔陶瓷或多孔金属陶瓷中的一种或多种组合。

4.根据权利要求1所述的钠硫液流电池，其特征在于，所述多孔安全膜(5)与所述陶瓷电解质膜(3)结合为一体，形成以所述多孔安全膜(5)为支撑层的支撑型陶瓷电解质膜结构。

5.根据权利要求1所述的钠硫液流电池，其特征在于，所述负极流道(1)中的流体压力小于所述正极流道(2)中的流体压力。

6.一种钠硫液流电池堆，其特征在于：包括

7.根据权利要求6所述的钠硫液流电池堆，其特征在于：

8.根据权利要求6-7任一项所述的钠硫液流电池堆，其特征在于，所述液流绝缘装置(6)为绝缘滴流管。

技术总结
本发明涉及一种钠硫液流电池、电池堆，其钠硫液流电池包括负极流道、正极流道，以及介于其二者之间的陶瓷电解质膜，还包括多孔阴极膜，其设置于所述陶瓷电解质膜与所述正极流道之间；以及多孔安全膜，其设置于所述负极流道与所述陶瓷电解质膜之间。本发明的钠硫液流电池、电池堆通过多孔阴极膜提供正极导电网络；多孔安全膜可以在陶瓷电解质膜破裂的情况下，利用多孔安全膜孔隙中生成的硫化钠固体封堵陶瓷电解质膜的裂口，从根本上提升电池安全性。在该电池负极流道的进口端和出口端设置液流绝缘装置，使负极与金属钠输送管路之间绝缘，解决了该电池在组成电池堆时的正负极短路问题。

技术研发人员：江南山
受保护的技术使用者：江南山
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16