一种大功率环形储能电池的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于储能领域，具体涉及的是一种大功率环形储能电池。
【背景技术】
[0002]随着我国经济总量的迅速提升，能源形式也越来越严峻，如何有效的利用好现有的能源产能已经成为能源结构调整的重要内容。在大力建设智能电网的背景下，提升电能质量迫在眉睫，而作为电能质量的一个重要指标，电网频率的稳定性关系到国民生产的方方面面，更代表着电网抵抗负荷冲击的调整能力。在有大幅的负荷变化时，为了稳定电网频率，在最短时间内给电网输入或者从电网吸收大量能量来抵消大的负荷波动，从而使电网的频率稳定在一个可控的范围，即实现电网的调频过程。这个过程中，最为关键的是如何在最短的时间内输出或吸收大量的能量，这需要有足够大功率的储能设备，通常为飞轮储能或超级电容器。
[0003]另一方面，随着军事、航天等领域的高新武器设备的出现，如电磁炮等，需要有超级电容器等能在短时间内释放出大量能量的储能设备作为支撑。
[0004]然而，飞轮储能由于其物理储能方式的限制，储能容量很小，能量损耗不能忽视；超级电容器等由于存在技术壁皇，制造成本高。于是，使用以化学反应为基础、规模极易拓展、响应迅速的新型电池作为储能设备的优势显而易见，这需要新型电池的充放电功率远超现有的所有电池，能够在很短的时间内释放出大量的能量。另一方面，从功能性出发，这种新型电池完全可以算作另外一种容量可扩展的、成本低廉的超级电容器。但目前还未见有这种以化学反应为基础的超大功率的储能电池的相关报道。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种大功率环形储能电池，该电池具有极大的充放电功率，可作为超级电容器使用。
[0006]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]一种大功率环形储能电池，包括若干层同轴套装在一起的由固体电解质制成的环形壁，环形壁的底部固定在圆形底座上，环形壁的顶端固定在圆形上盖上，圆形底座和圆形上盖均由绝缘材质制成；所有环形壁与圆形底座和圆形上盖共同围成若干层套装在一起的密闭腔体，所有密闭腔体内均填充有正极材料或负极材料，其中填充有正极材料的密闭腔体为正极材料腔，填充有负极材料的密闭腔体为负极材料腔，且正极材料腔和负极材料腔相互间隔设置；正极材料腔的底部设有正极电流引出极，正极电流引出极伸出圆形底座外并会集成电池正极，负极材料腔的底部设有负极电流引出极，负极电流引出极伸出圆形底座外并会集成电池负极；其中正极材料为惰性金属，负极材料为活泼的碱金属或碱土金属，在电池的运行温度下正极材料和负极材料均为液态。
[0008]所述的正极材料为Al、Zn、Ga、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、T1、Pb、Bi中的一种或任意几种的混合物；负极材料为L1、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba中的一种或任意几种的混合物；固体电解质为负极材料的金属阳离子的良导体。
[0009]所述的正极材料腔和负极材料腔的填充率均小于50%。
[0010]所述的环形壁的厚度为3?5mm。
[0011]所述的正极电流引出极和负极电流引出极均为不锈钢片。
[0012]最外层的环形壁的直径与圆形底座和圆形上盖的直径相同。
[0013]该电池的高度与其直径的比值小于I。
[0014]相对于现有技术，本发明的有益效果为:
[0015]本发明提供了一种充放电功率极大、可用作超级电容器的大功率环形储能电池，能够应用于电网的调频和军事航天技术。该电池为多层环形设计，具有十分独特的电池结构，除了最外层的环形壁外，其余环形壁的两侧分别分布有电池的正极材料和负极材料，因此这些环形壁(固体电解质)都是电化学反应的反应面，所以该电池具有足够大的电化学反应面积，这使得电流流通的面积很大。而且电极反应在高温下进行，运行时正负极均为液态金属，具有非常优良的电子导通性，可达到足够大的电流密度，因此该电池的充放电功率可以很大。另外该电池能够按不同的容量要求确定按比例分布的多套尺寸参数，很容易进行规模扩大，可满足不同的容量和空间要求。本发明提供的电池既能够有较大的电流密度又能够有足够的电流流通面积，保证了足够高的充放电速率和功率，且结构简单、成本低廉，尤其适于电网调频和电磁炮等高能武器使用。
[0016]进一步的，本发明提供的大功率环形储能电池中正极材料腔和负极材料腔的填充率均小于50%，能够保证在正、负极材料腔中有足够的空间来容纳正、负极材料反应完后生成的产物，避免由于反应过程中造成的材料体积变化而导致的对环形壁、圆形底座和圆形上盖的挤压，从而避免环形壁受力后破损导致的正、负极材料互混而带来的电池容量损失，同时避免电池发生鼓包或正、负极材料泄露所导致的电池使用安全和使用寿命问题。
[0017]进一步的，本发明提供的大功率环形储能电池中，在保证支撑强度的前提下使环形壁的厚度尽可能小，最好为3?5mm，从而能够保证良好的离子导通性，缩减电池运行时的极化损失。
【附图说明】
[0018]图1为本发明提供的环形储能电池(Na Il Bi)的结构示意图；
[0019]图2为本发明提供的环形储能电池(Na || Bi)的横剖面示意图；
[0020]图3为Na-Bi反应体系的合金相图；
[0021]图4为本发明提供的3kW环形储能电池(Na || Bi)的运行性能曲线图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0023]参加图1和图2，本发明提供的大功率环形储能电池，包括若干层同轴套装在一起的由固体电解质制成的环形壁2，环形壁2的底部固定在圆形底座3上，环形壁2的顶端固定在圆形上盖I上，最外层的环形壁2的直径与圆形底座3和圆形上盖I的直径相同。在保证支撑强度的前提下使环形壁2的厚度尽可能小，最好为3?5mm。圆形底座3和圆形上盖I均由绝缘材质制成。相邻两层环形壁2与圆形底座3和圆形上盖I围成环形的密闭腔体，最内层的环形壁2与圆形底座3和圆形上盖I围成圆柱形的密闭腔体，密闭腔体内填充有正极材料或负极材料，其中填充有正极材料的密闭腔体为正极材料腔8，填充有负极材料的密闭腔体为负极材料腔9，且正极材料腔8和负极材料腔9间隔设置；正极材料腔8和负极材料腔9的填充率小于50%。正极材料腔8的底部设有正极电流引出极4，正极电流引出极4伸出圆形底座3外并汇集成电池正极5，负极材料腔9的底部设有负极电流引出极6，负极电流引出极6伸出圆形底座3外并汇集成电池负极7。正极电流引出极4和负极电流引出极6均为不锈钢薄片。该电池的高度(环形壁2的高度)与其直径(最外层环形壁2的直径)的比值小于1，即环形壁2的高度小于最外层环形壁2的直径。
[0024]该电池的基本的电化学反应为一种合金化和脱合金化的过程，正极材料为为惰性金属，如Al、Zn、Ga、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、T1、Pb、Bi中的一种或任意几种的混合物；负极材料为活泼的碱金属或碱土金属，如L1、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba中的一种或任意几种的混合物；固体电解质为负极材料的金属阳离子的良导体，通常为对应阳离子的固体电解质。电极反应在高温下进行，在电池的运