一種鈉硫電池負極的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了化學儲能領域的一種鈉硫電池負極，包括電解質陶瓷管；所述電解質陶瓷管徑向內側形成負極室，所述電解質陶瓷管的頂面上設有徑向向外突出的陶瓷絕緣環，所述負極室內設有儲鈉管以及套接在所述儲鈉管外側的安全管，所述儲鈉管的頂部通過負極密封蓋封閉，所述陶瓷絕緣環與所述負極密封蓋之間設有負極密封環，將所述負極室封閉；所述安全管外壁的底部與所述電解質陶瓷管內壁的底部之間設有絕緣且對液態鈉不浸潤的緩沖層，所述電解質陶瓷管外壁的底部設有絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護層。其技術效果是：在保護電解質陶瓷管底部不參與反應的同時，降低對電解質陶瓷管垂直度和底部圓度的要求。
【專利說明】—種鈉硫電池負極
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及化學儲能領域的一種鈉硫電池負極。
【背景技術】
[0002]如圖1所示，鈉硫電池負極包括電解質陶瓷管4，電解質陶瓷管4內形成負極室400。負極室400內設有安全管8和儲鈉管9，安全管8套接在儲鈉管9的外側。儲鈉管9的底部設有貫通孔91，儲鈉管9的頂部和負極室400通過負極密封蓋11封閉。電解質陶瓷管4的頂面上設有徑向向外突出的陶瓷絕緣環3。
[0003]鈉硫電池的核心部件是電解質陶瓷管4，電解質陶瓷管4由β ”_Α1203制成，其傳導鈉離子，兼做隔膜。鈉硫電池循環壽命在很大程度上取決于電解質陶瓷管4的質量性能。一旦電解質陶瓷管4有微裂紋或者破裂，鈉和硫直接接觸發生劇烈反應，溫度最高可達20000C，瞬間熔化鈉硫電池內的所有組件，造成活性物質泄漏。現有鈉硫電池負極采用在電解質陶瓷管4與儲鈉管9之間套接與電解質陶瓷管4膨脹系數相差較大的安全管8，安全管8通常由鋁或鋁合金制成，安全管8與電解質陶瓷管4內壁之間的徑向間隙401，徑向間隙401的寬度控制在100微米，當電解質陶瓷管4破損后，安全管8軸向膨脹緊貼電解質陶瓷管4的內壁，并且給予電解質陶瓷管4的底部的內壁以壓力，該壓力大于電解質陶瓷管4底部外壁所受到的壓力，同時，安全管8也徑向膨脹，安全管8與電解質陶瓷管4之間的徑向間隙401閉合，鈉和硫無法接觸。這樣設計的鈉硫電池負極對于電解質陶瓷管4的垂直度，以及電解質陶瓷管4底部的圓度要求較高，因此加工電解質陶瓷管4費時費力，同時電解質陶瓷管4在使用過程中極易損壞。
實用新型內容
[0004]本實用新型的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種鈉硫電池負極，其能夠在保護電解質陶瓷管底部不參與反應的同時，降低對電解質陶瓷管垂直度和底部圓度的要求，延長電解質陶瓷管的使用壽命，保證鈉硫電池的安全運行。
[0005]實現上述目的的一種技術方案是:一種鈉硫電池負極，包括電解質陶瓷管；所述電解質陶瓷管徑向內側形成負極室，所述電解質陶瓷管的頂面上設有徑向向外突出的陶瓷絕緣環，所述負極室內設有儲鈉管以及套接在所述儲鈉管外側的安全管，所述儲鈉管的頂部通過負極密封蓋封閉，所述陶瓷絕緣環與所述負極密封蓋之間設有負極密封環7，將所述負極室封閉；
[0006]所述安全管外壁的底部與所述電解質陶瓷管內壁的底部之間設有絕緣且對液態鈉不浸潤的緩沖層5，所述電解質陶瓷管外壁的底部設有絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護層。
[0007]進一步的，所述緩沖層是采用氧化鋯、氮化硅、氧化鋁粉或碳粉中的任意一種，所述底部保護層采用硅酸鋁纖維。
[0008]進一步的，所述安全管與所述電解質陶瓷管之間的徑向間隙中設有間隙填充層，所述間隙填充層由金屬纖維編成，且所述間隙填充層的孔隙率為30?50%。
[0009]進一步的，所述儲鈉管的底部設有貫通孔和過濾層，所述過濾層是由或者不銹鋼的纖維編織成的。
[0010]再進一步的，所述儲鈉管和所述安全管的底部均為矩形底。
[0011]進一步的，所述安全管的頂面高于所述電解質陶瓷管的頂面。
[0012]進一步的，所述儲鈉管內均填充有保護氣體。
[0013]再進一步的，所述儲鈉管內的保護氣體均為氮氣或氬氣。
[0014]采用了本實用新型的一種鈉硫電池負極的技術方案，即在鈉硫電池負極中，在安全管外壁的底部與電解質陶瓷管內壁的底部之間設置絕緣且對液態鈉不浸潤的緩沖層，在電解質陶瓷管外壁的底部設置絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護層的技術方案。其技術效果是:在保護電解質陶瓷管底部不參與反應的同時，降低對電解質陶瓷管垂直度和底部圓度的要求，延長電解質陶瓷管的使用壽命，保證鈉硫電池的安全運行。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為現有技術鈉硫電池的結構示意圖。
[0016]圖2為本實用新型的一種鈉硫電池負極的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]請參閱圖2和圖3，本實用新型的發明人為了能更好地對本實用新型的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，并結合附圖進行詳細地說明:
[0018]請參閱圖2和圖3，本實用新型的一種鈉硫電池負極，包括電解質陶瓷管4，電解質陶瓷管4內形成負極室400。
[0019]負極室400內設有安全管8和儲鈉管9。儲鈉管9的頂部與負極密封蓋11焊接，從而將儲鈉管9封閉。全管8套接在儲鈉管9的外側。
[0020]電解質陶瓷管4的頂面上固定有徑向向外突出的陶瓷絕緣環3，負極密封蓋11和陶瓷絕緣環3的頂面之間設有負極密封環7，將負極室400封閉。
[0021]儲鈉管9作用是儲存液態鈉，儲鈉管9可采用焊接性能和剛性都良好的奧氏體不銹鋼，負極密封蓋11也采用奧氏體不銹鋼，使儲鈉管9的頂部能夠與負極密封蓋11焊接。儲鈉管9的底部采用矩形底。儲鈉管9的底部設有貫通孔91。貫通孔91的直徑0.3-lmm,用以限制液態鈉從儲鈉管9流向安全管8的流速。為了保證儲鈉管9的強度以及鈉硫電池的安全運行，儲鈉管9的壁厚0.8-1.5_。
[0022]安全管8套接在儲鈉管9的外側，安全管8采用純鋁或者變形鋁合金，采用冷拉法獲得，壁厚0.5-lmm,以保證其強度。其作用在于將儲鈉管9中的液態鈉和正極室中液態的硫分離。安全管8的內徑大于儲鈉管9的外徑0.6?1.2mm,以控制安全管8內液態鈉的量，從而保證鈉硫電池的安全運行。同時，安全管8與電解質陶瓷管4徑向之間設有徑向間隙401。徑向間隙的寬度為100?120微米。另外一方面，安全管8的頂面高于電解質陶瓷管4的頂面，優選的方式為高于陶瓷絕緣環3的頂面，以杜絕在陶瓷絕緣管4破裂時，液態鈉從電解質陶瓷管4的頂部滲入正極室，與正極室內的硫發生反應。
[0023]由于安全管8的底部為矩形底，而電解質陶瓷管4的底部的是半球形的，因此，安全管8的底部與陶瓷電解管4底部的內壁之間要設置緩沖層5。緩沖層5的可采用氧化鋯、氮化硅、氧化鋁粉、碳粉等物質，這些物質不能與液態鈉發生化學反應，對液態鈉不浸潤，且絕緣性能良好。緩沖層5的作用在于保護電解質陶瓷管4底部，減少安全管8對于電解質陶瓷管4底部的壓力，同時減少負極室400內的參與反應的鈉的質量，防止電解質陶瓷管4底部參與反應，確保電解質陶瓷管4底部的安全性。并降低了對于電解質陶瓷管4垂直度以及底部圓度的要求。
[0024]同時，儲鈉管9的底部還設有過濾層92，過濾層92主要是由金屬纖維編織而成，特別是柔軟的304或者316L不銹鋼纖維編織而成的，金屬纖維直徑8-20微米。過濾層92作用是過濾液態鈉中的高熔點雜質微粒，比如碳酸鈉微粒，以及未熔融金屬鈉微粒等，防止貫通孔91被堵塞，以及防止這些顆粒進入安全管8與電解質陶瓷管4之間的徑向間隙401，進而造成該徑向間隙401被堵塞，保證液態鈉的順暢流入安全管8與電解質陶瓷管之間的徑向間隙401，從而防止鈉硫電池因為電解質陶瓷管4因為得不到充分的液態鈉的供應而失效。
[0025]儲鈉管9中的過濾層92具有多孔結構，該多孔結構的孔徑小于10 μ m,以防止粒徑大于10 μ m的微粒進入該徑向間隙401，影響該徑向間隙401的封閉。
[0026]在徑向間隙401中，還填充有間隙填充層13，間隙填充層13由金屬纖維，尤其是柔軟的304或者316L不銹鋼纖維編織而成的。間隙填充層13的孔隙率為30-50%。間隙填充層13對液態鈉有吸附作用，同時，由于參加反應的液態鈉僅為電解質陶瓷管4的內壁和安全管8外壁之間的徑向間隙401中的液態鈉，因此間隙填充層13的吸附作用還可以減少參與反應的液態鈉量，從而有效控制電解質陶瓷管4破裂或生成微裂紋時鈉硫電池的溫度在600°C以下。
[0027]同時，電解質陶瓷管4外壁的底部設有底部保護層10，其厚度d3為10?30mm。底部保護層10的主要作用是阻止電解質陶瓷管4的底部發生液態鈉與液態硫的電化學反應，底部保護層10可采用絕緣性能優秀，且對硫或多硫化鈉不浸潤的無機耐火纖維材料。底部保護層10的優選材料為硅酸鋁纖維。
[0028]通過緩沖層5和底部保護層10的協同作用，可以防止電解質陶瓷管4底部的液態鈉參與反應，保護電解質陶瓷管4底部的同時，降低了對于電解質陶瓷管4垂直度和底部圓度的要求，防止電解質陶瓷管4破裂，延長電解質陶瓷管4的使用壽命，保證鈉硫電池的安全運行。
[0029]鈉硫電池工作時，儲鈉管9內的液態鈉，經過濾層92和貫通孔91進入安全管8，再從安全管8的頂部，溢流到所述徑向間隙401內，徑向間隙401內的液態鈉進入到電解質陶瓷管4的內壁，發生失電子反應，變成鈉離子后，鈉離子透過電解質陶瓷管4，從電解質陶瓷管4外壁的穿出，進入正極室與液態硫反應，生成多硫化鈉。在電解質陶瓷管4發生破裂或生成微裂紋時，安全管8的徑向膨脹可減少徑向間隙401中的鈉，保證了對鈉硫電池的安全保護切實有效，控制鈉硫電池的溫度在600°C以內。
[0030]鈉硫電池的另外一項改進在于:儲鈉管9的上部空間93，即液態鈉的液面與負極密封蓋11之間的空隙中填充有保護氣體，該保護氣體無法溶解在液態鈉中，也無法與液態鈉發生反應。該保護氣體優選為氮氣或者氬氣，從規模生產的角度上來說，優選為氮氣。在鈉硫電池的工作溫度下，儲鈉管9內的氣壓Pl為0.2-2個標準大氣壓。儲鈉管9的上部空間93的體積為VI。
【權利要求】
1.一種鈉硫電池負極，包括電解質陶瓷管(4);所述電解質陶瓷管(4)徑向內側形成負極室(400)，所述電解質陶瓷管(4)的頂面上設有徑向向外突出的陶瓷絕緣環(3)，所述負極室(400)內設有儲鈉管(9)以及套接在所述儲鈉管(9)外側的安全管(8)，所述儲鈉管(9)的頂部通過負極密封蓋(11)封閉，所述陶瓷絕緣環(3)與所述負極密封蓋(11)之間設有負極密封環(7 )，將所述負極室(400 )封閉，其特征在于: 所述安全管(8)外壁的底部與所述電解質陶瓷管(4)內壁的底部設有絕緣且對液態鈉不浸潤的緩沖層(5)，所述電解質陶瓷管(4)外壁的底部設有絕緣且對硫和多硫化鈉不浸潤的底部保護層(10)。
2.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池負極，其特征在于:所述緩沖層(5)是采用氧化鋯、氮化硅、氧化鋁粉或碳粉中的任意一種，所述底部保護層(10)采用硅酸鋁纖維。
3.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池負極，其特征在于:所述安全管(8)與所述電解質陶瓷管(4)之間的徑向間隙(401)中設有間隙填充層(13)，所述間隙填充層(13)由金屬纖維編成，且所述間隙填充層(13)的孔隙率為30?50%。
4.根據權利要求1所述的一種鈉硫電池負極，其特征在于:所述儲鈉管(9)的底部設有貫通孔(91)和過濾層(92)，所述過濾層(92)是由304或者316不銹鋼的纖維編織成的。
5.根據權利要求4所述的一種鈉硫電池負極，其特征在于:所述儲鈉管(9)和所述安全管(8)的底部均為矩形底。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的一種鈉硫電池負極，其特征在于:所述安全管(8)的頂面高于所述電解質陶瓷管(4)的頂面。
7.根據權利要求1至5中任意一項所述的一種鈉硫電池負極，其特征在于:所述儲鈉管(9)內均填充有保護氣體。
8.根據權利要求7所述的一種鈉硫電池負極，其特征在于:所述儲鈉管(9)內的保護氣體均為氮氣或氬氣。
【文檔編號】H01M4/62GK203491356SQ201320639982
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年10月17日 優先權日:2013年10月17日
【發明者】龔明光, 劉宇, 周日生, 潘紅濤, 鮑劍明 申請人:上海電氣鈉硫儲能技術有限公司