行温度下正极材料和负极材料均为液态，即液态金属，具有非常优良的电子导通性，允许有足够大的电流密度，以液态金属锂为例，其可以达到的电流密度高达1.2A/cm2。
[0025]该电池为多层圆形设计，具有足够大的电化学反应面积。由于其独特的结构，电化学反应面积非常大，这使得电流流通的面积很大，考虑到电极材料可以到达的高电流密度，该电池的充放电功率可以很大。并且此电池装置设计可以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。
[0026]为了便于更好的理解本发明，下面以Na Il Bi电池为例，给出本发明的一个具体实施例。
[0027]如图1、2所示，该Na || Bi电池为环形多层设计，由固体电解质构成的具有不同直径的、一定厚度和高度的环形壁2 (高度为20cm?50cm)同心分布在一块圆形底座3 (直径在30cm?60cm，与最外层的环形壁外周直径相同)上，此圆形底座3为绝缘材质，与5?10个不同直径的环形壁2紧固密封，通常以陶瓷的材质烧结在一起，或以绝缘胶粘的方式实现。环形壁2的顶部与圆形上盖I紧固密封，圆形上盖I为绝缘材质，通常以陶瓷的材质烧结在一起，或以绝缘胶粘的方式实现。相邻的两层环形壁之间间隔充满正极材料或负极材料，正负极材料间隔交叉分布，并且在底部分布有正、负极电流引出极，通常为稳定抗腐蚀的不锈钢薄片，紧密封接在圆形底座3上，并按正负极种类引出会合，即为电池的正负极。
[0028]该电池的负极材料为Na金属粉末，正极材料为Bi金属粉末，固体电解质为钠离子对应的β氧化铝。该电池的运行温度由电极反应需要的温度(正负极电极材料需完全熔化为液态)和负极材料阳离子对应的固体电解质的最佳工作温度(保证高的离子迀移率)共同决定。如Na-Bi反应体系，见图3。由相图可知，当温度高于444°C时，Na和Bi完全反应生成固相Na3Bi,反应式为3Na+Bi — Na3Bi ;当温度低于444°C高于271 °C (Bi的熔点)时，Na和Bi完全反应生成固相NaBi，反应式为Na+Bi — NaBi。考虑到β氧化铝固体电解质在300°C?350°C之间具有最佳的钠离子导通性，另一方面，高于444°C的高温下会带来很多高温环境下密封和绝缘的问题，因此将此电池装置的运行温度定为300°C?350°C，电化学反应为Na+Bi — NaB1
[0029]另外，各个同心分布的环形壁2的外周直径分布和高度决定了它们之间的间隙(正极材料腔和负极材料腔)体积，间隙体积又是决定正负极材料的填充量的关键参数，在保证物理支撑强度的前提下固体电解质厚度尽可能的小。因此环形壁的厚度最好为3?5mm，以保证良好的离子导通性，缩减电池运行时的极化损失。如Na-Bi反应体系，已确定正负极材料完全反应的摩尔比为1: 1，理想情况下，反应后负极材料钠完全迀移到正极材料Bi所在的间隙内，和Bi生成NaBi固相合金，此时需要保证正极材料腔的体积足够容纳纯Bi的体积和NaBi的体积之中的最大值，负极材料腔的体积足够容纳纯Na的体积。对于一定的间隙体积，在确定了电池的环形壁高度后，各个同心分布的环形壁的外周直径分布即可确定，一般电池高度和电池直径的比值控制在小于I的范围内。于是，在确定了一定的电池容量参数后，即可通过电极材料的用量确定出电池具体的的尺寸参数。
[0030]为了验证此大功率储能电池的具体实用性能，制成了以Na-Bi反应体系为基础的电池装置，并投入运行。电池直径为200mm?300mm，高为150mm?200mm ;额定输出电流200A，容量200Ah?400Ah，输出电压0.6V，额定输出功率达到了 120W，是普通单体储能电池输出功率的几十倍到几百倍。如图4所示，此大功率储能电池在经历接近500个充放电循环后依然能量效率高于75%，并且充放电的平均功率几乎没有任何衰减稳定的运行性能，这表明该电池在保有大功率充放电特点的同时具有非常稳定的循环性能，有着很高的循环寿命O
【主权项】
1.一种大功率环形储能电池，其特征在于: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，圆形底座(3)和圆形上盖(I)均由绝缘材质制成；所有环形壁(2)与圆形底座(3)和圆形上盖(I)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(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)相互间隔设置；正极材料腔⑶的底部设有正极电流引出极(4)，正极电流引出极⑷伸出圆形底座(3)外并会集成电池正极(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)外并会集成电池负极(7);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。
2.根据权利要求1所述的大功率环形储能电池，其特征在于: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。
3.根据权利要求1所述的大功率环形储能电池，其特征在于:所述的正极材料腔(8)和负极材料腔(9)的填充率均小于50%。
4.根据权利要求1所述的大功率环形储能电池，其特征在于:所述的环形壁(2)的厚度为3?5_。
5.根据权利要求1所述的大功率环形储能电池，其特征在于:所述的正极电流引出极(4)和负极电流引出极(6)均为不锈钢片。
6.根据权利要求1所述的大功率环形储能电池，其特征在于: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。
7.根据权利要求1所述的大功率环形储能电池，其特征在于:该电池的高度与其直径的比值小于I。
【专利摘要】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，环形壁的两端分别固定在绝缘的圆形底座和圆形上盖上，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，相邻密闭腔体内间隔填充有正极材料或负极材料，电池运行时正、负极材料均为液态；从密闭腔体底部分别引出正、负极电流引出极并分别会集形成电池正、负极。本发明提供的电池具有很大的电化学反应面积和电流流通面积，具有优良的电子导通性，可达到足够大的电流密度，保证了足够高的充放电速率和功率，且结构简单、成本低廉，能够按不同的容量要求确定尺寸参数，很容易进行规模扩大，可满足不同的容量和空间要求。
【IPC分类】H01G11-78, H01G11-10, H01G11-56, H01G11-28, H01G11-30, H01G11-24
【公开号】CN104701025
【申请号】CN201510079965
【发明人】宁晓辉, 代涛, 单智伟
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年2月13日