一種安全鈉硫電池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電池，更具體地說，本發(fā)明涉及一種安全鈉硫電池，屬于儲能電池技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鈉硫電池由于具有高能量密度、長使用壽命、原材料豐富等特點而被作為大規(guī)模電化學(xué)儲能的技術(shù)之一，近年來鈉硫電池的研發(fā)、中試、工程示范和商業(yè)推廣受到了廣泛關(guān)注。鈉硫電池的安全性是其大規(guī)格產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中備受重視和尚待進一步改善的問題。鈉硫電池的安全性需要通過提高單體電池安全性和模塊及儲能系統(tǒng)設(shè)計和控制手段等多方面共同改善，其中單體電池的安全性是影響儲能系統(tǒng)安全性的至關(guān)因素。鈉硫電池主要活性物質(zhì)是金屬鈉和單質(zhì)硫，陶瓷管在電池內(nèi)部既是傳導(dǎo)鈉離子的固體電解質(zhì)，也是將鈉和硫分離開的固態(tài)隔膜，在300-350°C的工作溫度下單體電池的安全隱患主要在于陶瓷管受外部影響或自身結(jié)構(gòu)缺陷破裂后，熔融的金屬鈉和硫在沒有隔膜情況下大量接觸，并劇烈反應(yīng)瞬間釋放大量熱能，破壞電池金屬結(jié)構(gòu)件，甚至引起活性物質(zhì)泄漏、著火、電池短路等問題。
[0003]日本礙子株式會社和上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司是國內(nèi)外鈉硫電池技術(shù)開發(fā)的主要企業(yè)，其公布的專利中鈉硫電池都是將存儲金屬鈉的容納器放置于電池內(nèi)的陶瓷管內(nèi)部的結(jié)構(gòu):
日本礙子株式會社公布的鈉硫電池結(jié)構(gòu)方面的專利主要包括授權(quán)公告號為CN202423498U、 CN202423500U、 CN202423501U、 CN202352789U、 CN202534748U、 CN202534703U的六項專利，所涉及的鈉硫電池結(jié)構(gòu)全部都是將鈉容納器和金屬鈉置于電池內(nèi)部的陶瓷管內(nèi)，鈉容納器將金屬鈉包含于內(nèi)；在容納器底部開小孔，頂部填充一定氣壓的保護氣體氮氣或氬氣，以確保金屬鈉熔融后能夠從容納器中流出并填充容納器和陶瓷管之間的間隙，通過小孔尺寸控制金屬鈉從容納器中流出的速度，以防止陶瓷管破裂時金屬鈉和硫快速反應(yīng)而瞬間釋放大量熱能，引起著火、電池外殼破壞、電池短路等安全問題。
[0004]上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司公布的鈉硫電池結(jié)構(gòu)方面的專利主要包括申請公布告為CN103500855A、CN103531856A、授權(quán)公布號為CN102610867B的三項發(fā)明專利，所涉及的鈉硫電池結(jié)構(gòu)全部都是將“鈉安全芯”或“儲鈉管”以及金屬鈉置于電池內(nèi)部的陶瓷管內(nèi)。
[0005]上述現(xiàn)有專利中的鈉硫電池都是將金屬鈉及存儲金屬鈉的容器設(shè)置于電池內(nèi)部的陶瓷管內(nèi)，硫電極在陶瓷管外圍，以避免陶瓷管破裂后大量金屬鈉瞬間與硫接觸并發(fā)生劇烈反應(yīng)，這是控制單體電池安全性的現(xiàn)有方案，在嚴(yán)重情況下仍有可能破壞陶瓷管內(nèi)的儲鈉容器導(dǎo)致大量金屬鈉瞬間與硫接觸并發(fā)生劇烈反應(yīng)。在鈉硫電池研發(fā)初期，鈉硫電池主要考慮作為電動汽車動力電池，將金屬鈉及其容器置于電池內(nèi)部有利于防止撞擊而引起金屬鈉溢出著火等安全問題；目前鈉硫電池主要考慮作為固定場合的大規(guī)模儲能系統(tǒng)應(yīng)用，單體電池組成模塊后受外部撞擊直接導(dǎo)致破壞的可能性降低，電池隨充放電次數(shù)增加引起破壞情況下的安全程度成為電池安全性能的主導(dǎo)方面。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明旨在解決現(xiàn)有技術(shù)存儲金屬鈉的容納器放置于電池內(nèi)的陶瓷管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不安全的問題，提供一種安全鈉硫電池，使得在電池內(nèi)部的陶瓷管發(fā)生破壞時，能夠降低金屬鈉和硫瞬間劇烈反應(yīng)的可能性，保持電池外部完整，避免活性物質(zhì)泄漏、著火。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明具體的技術(shù)方案如下:
一種安全鈉硫電池，包括儲鈉罐、電池外殼以及固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管，其特征在于:所述儲鈉罐中存放有金屬鈉，所述儲鈉罐的底部連接有絕緣陶瓷環(huán)，所述絕緣陶瓷環(huán)的底部連接所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管的頂部，所述絕緣陶瓷環(huán)的外壁通過金屬連接件與所述電池外殼的內(nèi)壁連接；所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管的內(nèi)部設(shè)置有負極集流體，所述負極集流體的頂部與所述儲鈉罐連接；所述儲鈉罐的底部設(shè)置有傾斜的小孔通道，將所述儲鈉罐內(nèi)部的金屬鈉和所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管與所述負極集流體之間的間隙連通；所述電池外殼和所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管之間設(shè)置硫電極。
[0008]本發(fā)明所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管與所述負極集流體之間的間隙的寬度為0.5-3_。
[0009]本發(fā)明所述的儲鈉罐的頂部設(shè)置有用于密封金屬鈉的電池頂蓋。
[0010]本發(fā)明所述的電池外殼的底部設(shè)置有用于密封硫電極的電池底蓋。
[0011]本發(fā)明所述的固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管的上端開口，下端為密封的圓底或者平底。
[0012]本發(fā)明帶來的有益技術(shù)效果:
對比現(xiàn)有技術(shù)中的鈉硫電池結(jié)構(gòu)，本發(fā)明將現(xiàn)有的金屬鈉和儲鈉容器置于陶瓷管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變成金屬鈉和儲鈉容器置于陶瓷管以外，電池頂部的結(jié)構(gòu)，這樣的結(jié)構(gòu)有兩個方面的優(yōu)勢:
1、能夠進一步保證電池安全。現(xiàn)有技術(shù)中鈉硫電池的陶瓷管破壞后，鈉和硫局部快速反應(yīng)仍有可能破壞緊鄰陶瓷管的儲鈉容器，引起大量金屬鈉和硫接觸并發(fā)生反應(yīng)，快速釋放大量熱量；尤其是儲鈉容器內(nèi)存在一定氣壓的情況下，更容易將熔融金屬鈉壓出儲鈉容器，與硫快速反應(yīng)，破壞儲鈉容器甚至電池外殼。本發(fā)明由于將金屬鈉和儲鈉罐置于固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管以上，即使在固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管破裂情況下仍然能夠很容易地保證儲鈉容器不受破壞，金屬鈉只能緩慢從儲鈉罐流出與電池內(nèi)部的硫發(fā)生反應(yīng)，從而能夠控制反應(yīng)的速度和釋放熱量的速度，避免電池溫度過快升高，發(fā)生泄漏和著火等嚴(yán)重問題。
[0013]2、兼顧安全的同時能保證電池放電過程中金屬鈉的輸送，對放電速度和深度有利?，F(xiàn)有技術(shù)中金屬鈉置于陶瓷管內(nèi)部的儲鈉容器中，隨著放電過程的進行，金屬鈉由儲鈉容器流出導(dǎo)致液面不斷下降，金屬鈉填充滿儲鈉容器和陶瓷管之間的全部間隙越來越難，必須通過嚴(yán)格的氣壓控制和毛細管作用力才能夠保證金屬鈉對陶瓷管表面的覆蓋和潤濕，否則將被迫降低放電速度和深度，這導(dǎo)致生產(chǎn)過程中對陶瓷管尺寸、儲鈉容器內(nèi)外氣壓控制、毛細作用力的控制都有非常高的要求，對電池裝配的成功率和電池均一性有較大影響。本發(fā)明由于將金屬鈉和儲鈉罐置于固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管以上，金屬鈉熔融后只需在重力作用下通過小孔通道流出儲鈉罐即可時刻填滿固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管和負極集流體之間的間隙，保證放電過程中金屬鈉的及時供應(yīng)和對固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管表面的覆蓋與潤濕，更容易保持放電的速度和深度。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明安全鈉硫電池結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明安全鈉硫電池局部結(jié)構(gòu)放大示意圖；
圖3為本發(fā)明安全鈉硫電池結(jié)構(gòu)的325Ah鈉硫電池在固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管破壞時電池外殼溫度變化曲線圖。
[0015]附圖標(biāo)記:1為儲鈉罐、2為電池外殼、3為固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管、4為金屬鈉、5為絕緣陶瓷環(huán)、6為金屬連接件、7為負極集流體、8為小孔通道、9為硫電極、10為電池頂蓋、11為電池底蓋。
【具體實施方式】
[0016]實施例1
一種安全鈉硫電池，包括儲鈉罐1、電池外殼2以及固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管3，所述儲鈉罐1中存放有金屬鈉4，所述儲鈉罐1的底部連接有絕緣陶瓷環(huán)5，所述絕緣陶瓷環(huán)5的底部連接所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管3的頂部，所述絕緣陶瓷環(huán)5的外壁通過金屬連接件6與所述電池外殼2的內(nèi)壁連接；所述固態(tài)電解質(zhì)陶瓷管3的內(nèi)部設(shè)置有負極集流體7，所述負極集流體7的頂部與所述儲鈉罐1連接；所述儲鈉罐1的底部設(shè)置有