專利名稱：一種新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池及其電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用一種電池，更具體地說涉及一種新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體
電池及其電池組。
背景技術(shù)：
作為在鈉硫電池研制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的鈉_氯化鎳電池，它與鈉/硫電池有許多 相似之處如固體電解質(zhì)都是P "^1203陶瓷材料，負(fù)極都是液態(tài)金屬鈉。所不同的是正 極，它以分散在NaAlC^熔鹽電解質(zhì)中的固態(tài)鎳和氯化鎳取代了鈉/硫電池正極中的液態(tài) 硫和多硫化鈉。這樣該電池就保留了鈉硫電池原有的高能量密度、高轉(zhuǎn)換效率、無自放電 等優(yōu)點(diǎn)，鈉-氯化鎳電池提供了一個(gè)內(nèi)在的過度充電和過度放電的保護(hù)體系。由于第二電 解質(zhì)NaAlCl4的存在，當(dāng)電池充滿電時(shí)，即當(dāng)所有的NaCl反應(yīng)完全時(shí)，正極中過量的Ni和 NaAlCh熔融電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成Na。由于該反應(yīng)需要的電壓比正常充電時(shí)高，因此，可以 有效地阻止電流流過電池。同時(shí)，只要負(fù)極中存在鈉，就會(huì)與NaAlCl4熔融電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)， 避免了電池過度放電。同時(shí)避免了硫在高溫時(shí)對(duì)電池本身的腐蝕行為，提高了電池的循環(huán) 壽命和安全性能，整體性能優(yōu)于鈉硫電池。 鈉-氯化鎳電池的高功率密度和高能量密度，使其在儲(chǔ)能方面有著突出的表現(xiàn)。 鈉_氯化鎳電池在艦船方面也有好的應(yīng)用前景。若將鈉_氯化鎳電池用于水面船舶，特別 是在使用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶上，與鉛酸電池相比，可減少電池只數(shù)，減少費(fèi)用，能滿 足高峰荷載要求。除作主動(dòng)力蓄電池外，也可作備用電池或儀器裝備用電池。若將鈉-氯化 鎳電池用于潛艇，可以提高潛艇機(jī)動(dòng)性和巡航時(shí)間而直接有助于常規(guī)潛艇的操作性能?？?以提高航速或提高續(xù)航力，因而增加了機(jī)動(dòng)能力和機(jī)動(dòng)范圍。鈉_氯化鎳也對(duì)新一代AIP 潛艇推進(jìn)系統(tǒng)提供了優(yōu)越性。在核潛艇上，蓄電池維持著核安全和船舶安全的設(shè)備，高比能 增加了反應(yīng)堆關(guān)閉后的水下續(xù)航時(shí)間，可以有更多的時(shí)間來恢復(fù)動(dòng)作。 這一切，都?xì)w功于鈉-氯化鎳電池是所有電池中能量密度最高的，整電池系統(tǒng)達(dá) 120Wh/kg ;功率密度僅次于鋰離子電池，達(dá)到180W/kg ;鈉-氯化鎳電池具有獨(dú)特的耐過充 電和過放電性能，其安全性優(yōu)異，是唯一通過美國(guó)先進(jìn)電池聯(lián)合協(xié)會(huì)(USABC)所有安全測(cè) 試的電池系統(tǒng)；使用壽命長(zhǎng)，循環(huán)大于2000次，壽命大于14年，已有鈉-氯化鎳電池在電動(dòng) 汽車上穩(wěn)定的運(yùn)行了 7年，并取得了無維護(hù)運(yùn)行112， 000公里的極為滿意的結(jié)果；充電30 分鐘可達(dá)50%的放電容量；整個(gè)電池是免維護(hù)的全密封結(jié)構(gòu)；成本低于鎳鉻、鎳氫和鋰離 子電池，其潛在的商業(yè)前景成為各國(guó)經(jīng)銷商相互競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。但是目前的鈉-氯化鎳電池 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，限制了其應(yīng)用，需要開發(fā)一種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的電池和組裝技術(shù)，為使其規(guī)模 化產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題與不足，提供一種新型低成本高密度鈉-氯 化鎳單體電池及其電池組，在常溫條件下制作而成，整電池系統(tǒng)達(dá)120Wh/kg。
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本發(fā)明的技術(shù)方案如下 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其包括有多孔鎳材料的正極、 填充的熔融鹽電解質(zhì)、固體電解質(zhì)陶瓷管、在金屬片中為負(fù)極活性物質(zhì)的Na、外殼和包覆在 外殼外面的絕熱層材料，電池從外到里依次為絕熱層材料、外殼、金屬片、在金屬片中為負(fù) 極活性物質(zhì)的Na、固體電解質(zhì)陶瓷管、填充的熔融鹽電解質(zhì)和多孔鎳材料的正極，負(fù)極活性 物質(zhì)的Na與填充的熔融鹽電解質(zhì)分別填充在固體電解質(zhì)的兩側(cè)，金屬片包覆在固體電解 質(zhì)陶瓷管上，與陶瓷管之間形成毛細(xì)管空隙，熔融的鈉在毛細(xì)作用下浸潤(rùn)整個(gè)固體電解質(zhì) 陶瓷管，兩根電極棒伸出殼外，構(gòu)成正負(fù)極接線柱，正極接線柱從熔融鹽中伸出外殼，負(fù)極 接線柱連接金屬片伸出外殼。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案是電池的 外觀為圓形、長(zhǎng)方形或正方形。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是 所述的外殼為低碳鋼材料或高分子聚合物碳化纖維。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是
所述的固體電解質(zhì)截面為圓形或十字花型，材料是鋁酸鈉，分子式為Na-l3 〃 _A1203。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是
所述的電池內(nèi)部工作溫度在270°C -35(TC之間。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是 電池頂端的密封由0 41203圈和鎳環(huán)實(shí)現(xiàn)。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是
所述的兩根電極棒材料為銅質(zhì)材料，多孔鎳材料涂敷在Cu棒上共同構(gòu)成集流體。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是
所述的絕熱層材料為二氧化硅氣凝膠絕熱層或陶瓷氈絕熱層或玻璃纖維絕熱層。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是
所述的多孔鎳材料為固態(tài)鎳或氯化鎳。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是 所述的熔融鹽電解質(zhì)為NaAlCl4。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉_氯化鎳電池組，它包括并聯(lián)在一起的如上所述的 單體電池，同時(shí)還包括冷卻裝置、電池組絕熱層、電池組外殼以及整電池控制系統(tǒng)，其中單 體電池的數(shù)量為3 50個(gè)。 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳電池組，其進(jìn)一步的技術(shù)方案是所述的電 池組外觀為長(zhǎng)方形；所述的電池組絕熱層為二氧化硅氣凝膠絕熱層或陶瓷氈絕熱層或玻璃 纖維絕熱層；所述的冷卻裝置帶有風(fēng)扇；所述的電池組外殼為低碳鋼；所述的電池組內(nèi)部 工作溫度在270°C -35(TC之間，由電池控制器調(diào)節(jié)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果 本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳，具有耐過充電和過放電性能，使用壽命 長(zhǎng)，安全性能好，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，成本較低。本電池可作為船舶、油電混合車、潛 艇、公交系統(tǒng)的動(dòng)力能源，以減輕對(duì)石油資源的依賴，且不排放任何廢棄物，可作為電力儲(chǔ) 存系統(tǒng)中大容量電池最可行的選擇之一，在城市電網(wǎng)、風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能發(fā)電中有著極為廣闊的應(yīng)用前景。


圖1為本發(fā)明的單體電池的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的電池組的結(jié)構(gòu)示意圖
圖l中附圖標(biāo)記說明 1、正極2、熔融鹽3、Na-e〃 _A1203固體電解質(zhì)4、鈉5、金屬片6、外殼7、絕緣
層 圖2中附圖標(biāo)記說明 8、單體電池9、冷卻裝置10、電池組絕熱層11、電池組外殼12、整電池控制系統(tǒng)
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明的范圍不限于下面的實(shí)施例。
實(shí)施例1 如圖1所示本發(fā)明的一種新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，包括有多孔鎳 材料的正極、填充的熔融鹽電解質(zhì)、固體電解質(zhì)陶瓷管(長(zhǎng)度220mm，內(nèi)徑52mm，壁厚2mm)、 在金屬片中為負(fù)極活性物質(zhì)的Na、外殼(60*60*245mm)和包覆在外殼外面的絕熱層材料， 電池從外到里依次為絕熱層材料、外殼、金屬片、在金屬片中為負(fù)極活性物質(zhì)的Na、固體電 解質(zhì)陶瓷管、填充的熔融鹽電解質(zhì)和多孔鎳材料的正極，負(fù)極活性物質(zhì)的Na與填充的熔融 鹽電解質(zhì)分別填充在固體電解質(zhì)的兩側(cè)，金屬片包覆在固體電解質(zhì)陶瓷管上，與陶瓷管之 間形成毛細(xì)管空隙，熔融的鈉在毛細(xì)作用下浸潤(rùn)整個(gè)固體電解質(zhì)陶瓷管，兩根電極棒伸出 殼外，構(gòu)成正負(fù)極接線柱，正極接線柱從熔融鹽中伸出外殼，負(fù)極接線柱連接金屬片伸出外 殼；電池的外觀為長(zhǎng)方形，電池的外殼為低碳鋼材料或高分子聚合物碳化纖維，所述的固體 電解質(zhì)截面為圓形或十字花型，材料是鋁酸鈉，分子式為Na-l3 〃 41203，十字花型增加了 表面積，減少了電解質(zhì)電阻和正極厚度，電池的比能量和比功率與Na-l3 〃 -AIA固體電解 質(zhì)的性能有很大關(guān)系，化學(xué)成分均勻，晶體內(nèi)部氣孔率低，Na+離子的電導(dǎo)率便越高，固體電 解質(zhì)和性能就好，電池頂端的密封由a -A1203圈和鎳環(huán)實(shí)現(xiàn)，兩根電極棒材料為銅質(zhì)材料， 其中多孔鎳材料涂敷在Cu棒上共同構(gòu)成集流體，包覆在外殼外面的絕熱層材料為二氧化 硅氣凝膠絕熱層，多孔鎳材料為固態(tài)鎳，熔融鹽電解質(zhì)為NaAlCL。
實(shí)施例2 如圖2所示，本發(fā)明的新型低成本高密度鈉-氯化鎳電池組，它包括并聯(lián)在一起 的如實(shí)施例1所述的單體電池，同時(shí)還包括冷卻裝置、電池組絕熱層、電池組外殼以及整電 池控制系統(tǒng)，其中單體電池的數(shù)量為30個(gè)，所述的電池組外觀為長(zhǎng)方形；所述的電池組絕 熱層為二氧化硅氣凝膠絕熱層或陶瓷氈絕熱層或玻璃纖維絕熱層；所述的冷卻裝置帶有風(fēng) 扇；所述的電池組外殼為低碳鋼；所述的電池組內(nèi)部工作溫度在270°C _350°〇之間，由電池 控制器調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
一種新型低成本高密度鈉-氯化鎳單體電池，其特征在于包括有多孔鎳材料的正極、填充的熔融鹽電解質(zhì)、固體電解質(zhì)陶瓷管、在金屬片中為負(fù)極活性物質(zhì)的Na、外殼和包覆在外殼外面的絕熱層材料，電池從外到里依次為絕熱層材料、外殼、金屬片、在金屬片中為負(fù)極活性物質(zhì)的Na、固體電解質(zhì)陶瓷管、填充的熔融鹽電解質(zhì)和多孔鎳材料的正極，負(fù)極活性物質(zhì)的Na與填充的熔融鹽電解質(zhì)分別填充在固體電解質(zhì)的兩側(cè)，金屬片包覆在固體電解質(zhì)陶瓷管上，與陶瓷管之間形成毛細(xì)管空隙，熔融的鈉在毛細(xì)作用下浸潤(rùn)整個(gè)固體電解質(zhì)陶瓷管，兩根電極棒伸出殼外，構(gòu)成正負(fù)極接線柱，正極接線柱從熔融鹽中伸出外殼，負(fù)極接線柱連接金屬片伸出外殼。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其特征在于電池的 外觀為圓形、長(zhǎng)方形或正方形，所述的外殼為低碳鋼材料或高分子聚合物碳化纖維。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其特征在于所述的 固體電解質(zhì)截面為圓形或十字花型，材料是鋁酸鈉，分子式為Na-l3 〃 _A1203。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其特征在于所述的 電池內(nèi)部工作溫度在270°C -350°〇之間；電池頂端的密封由a -A1203圈和鎳環(huán)實(shí)現(xiàn)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其特征在于所述的 兩根電極棒材料為銅質(zhì)材料，多孔鎳材料涂敷在Cu棒上共同構(gòu)成集流體。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其特征在于所述的 絕熱層材料為二氧化硅氣凝膠絕熱層或陶瓷氈絕熱層或玻璃纖維絕熱層。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其特征在于所 述的多孔鎳材料為固態(tài)鎳或氯化鎳。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型低成本高密度鈉_氯化鎳單體電池，其特征在于所述的 熔融鹽電解質(zhì)為NaAlCh。
9. 一種新型低成本高密度鈉-氯化鎳電池組，其特征在于它包括并聯(lián)在一起的如權(quán) 利要求1-8任一所述的單體電池，同時(shí)還包括冷卻裝置、電池組絕熱層、電池組外殼以及整 電池控制系統(tǒng)，其中單體電池的數(shù)量為3 50個(gè)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的高能量密度鈉-氯化鎳電池組，其特征在于所述的電池組外 觀為長(zhǎng)方形；所述的電池組絕熱層為二氧化硅氣凝膠絕熱層或陶瓷氈絕熱層或玻璃纖維絕 熱層；所述的冷卻裝置帶有風(fēng)扇；所述的電池組外殼為低碳鋼；所述的電池組內(nèi)部工作溫 度在270°C _350°〇之間，由電池控制器調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高能量密度鈉-氯化鎳單體電池及其電池組，在常溫條件下制作而成，整電池系統(tǒng)達(dá)120Wh/kg。該單體電池包括有正極、電解質(zhì)、陶瓷管、在金屬片中為負(fù)極活性物質(zhì)的Na、外殼和包覆在外殼外面的絕熱層材料，電池從外到里依次為絕熱層材料、外殼、金屬片、Na、固體電解質(zhì)陶瓷管、填充的熔融鹽電解質(zhì)和多孔鎳材料的正極，負(fù)極活性物質(zhì)的Na與填充的熔融鹽電解質(zhì)分別填充在固體電解質(zhì)的兩側(cè)，金屬片包覆在固體電解質(zhì)陶瓷管上，與陶瓷管之間形成毛細(xì)管空隙，熔融的鈉在毛細(xì)作用下浸潤(rùn)整個(gè)固體電解質(zhì)陶瓷管，兩根電極棒伸出殼外，構(gòu)成正負(fù)極接線柱，正極接線柱從熔融鹽中伸出外殼，負(fù)極接線柱連接金屬片伸出外殼。
文檔編號(hào)H01M10/50GK101752614SQ201010017648
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者帥莉芳, 楊暉, 沈曉冬, 魏曉玲 申請(qǐng)人:南京工業(yè)大學(xué)