一種用于液態金屬電池的殼體結構及其制備方法與流程

本發明屬于液態金屬電池技術領域，特別涉及一種用于液態金屬電池的殼體結構及制備工藝。

背景技術：

當前，我國電網面臨可再生能源接入占比不斷擴大、電力系統結構日益復雜、電網負荷峰谷差持續增加等諸多挑戰。而優質、自愈、安全、清潔、經濟、互動是我國智能電網的設定目標。儲能技術尤其是大規模儲能技術在消納可再生能源、提高電力系統穩定性以及滿足電網削峰填谷需求等方面具有重要作用，因而是構建現代智能電網所不可或缺的關鍵環節。電力儲能技術主要包括物理儲能和化學儲能兩類。其中，物理儲能主要包括飛輪儲能、抽水蓄能、壓縮空氣儲能、雙電層電容器儲能以及超導磁儲能。而化學儲能則主要包括法拉第準電容儲能以及各類電池儲能。電池儲能具有能量轉換率高，安裝條件低等優點，受到了人們的廣泛關注。

液態金屬電池是面向電網級儲能應用的新型二次電池，其單體主要由正極、負極、電解質以及電池外殼組成。電池負極一般為堿金屬或堿土金屬的單質或合金，正極一般為能和負極形成合金且與負極有一定電勢差的過渡金屬單質、合金、或其它化合物。電解質為與負極金屬對應的無機鹽或其混合物。當電池運行時，其金屬電極及無機鹽電解質在高溫下熔融為液態，并依照密度差異自動分層。放電時，負極金屬失去電子，并通過外電路做功。負極金屬離子化后通過熔鹽遷移到正極并與正極金屬合金化。充電時，電池執行相反的過程。通過上述的合金化及去合金化過程，液態金屬電池可以完成電能的存儲與釋放，實現與外部的能量交換。

液態金屬電池需要在高溫下工作，涉及到的溫度一般在環境溫度～700℃或更高，以使電池中的活性成分保持液態。在常溫下，液態金屬電池是無法工作的，原因在于此時電池的活性成分是以固態形式存在著，不能進行離子電子的交換。只有把電池的溫度提高至其工作溫度以上才能進行充放電。在溫度變化過程中，活性物質發生相變，帶來的不僅僅是物相的變化，同時會產生巨大的體積變化。因此，液態金屬電池在常溫和高溫條件下的整體密封，保持活性物質不泄露、不跑氣是至關重要的關鍵性技術問題。

液態金屬電池在高溫下工作，正負電極分層之間要保持絕緣隔離，才能在其允許的情況下，按照規定的路徑進行充放電，因此電極間的絕緣成為關鍵性技術問題。

電池存放和運行過程中，電池殼體不能與電池內部材料、內部氣體以及電池周圍環境中的氣體發生化學反應。這是因為，一方面，發生化學反應可能會造成殼體的腐蝕，造成電池內部活性材料的泄露，從而引起電池失效甚至危及環境；另一方面，與內部材料發生化學反應，會造成電池內部活性材料的變質，可能會造成電池性能的下降甚至失效。因此保持殼體在存放及運行過程中的理化穩定性是至關重要的。

針對液態金屬電池進行新型結構設計，解決液態金屬電池在常溫和高溫下的密封、絕緣以保持電池存放和運行過程中的理化穩定，我們提出了新的電池結構和密封絕緣技術。

現有的密封技術主要有壓縮密封技術和粘接技術。常規的壓縮密封技術通過金屬間的直接連接或者采用氣密性的彈性材料實現：金屬間的直接連接很難實現被密封連接兩個部件之間電絕緣性；氣密性的彈性材料一般熱穩定性較差，如常規硅膠密封材料的耐受溫度一般不超過200℃。粘結技術一般以耐高溫、絕緣陶瓷為粘結劑，但陶瓷和金屬間熱膨脹系數匹配性差，因而很難滿足液態金屬電池的長期穩定運行需要。

現有的液態金屬電池采用不銹鋼殼體，不能直接解決電極的絕緣隔離，需要增加絕緣層，結構復雜。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種用于液態金屬電池的殼體結構及其制備方法，解決了液態金屬電池殼體的密封、正負極間的絕緣、殼體與電池活性材料間的化學相容性以及在電池存放和運行溫度范圍內的物理化學穩定性的技術問題。

為解決上述問題，本發明采取的技術方案為：

一種用于液態金屬電池的殼體結構，包括陶瓷管、用作正極的金屬底座和用作負極的金屬頂蓋，陶瓷管的兩端分別與金屬底座和金屬頂蓋連接形成密封的電池殼體結構。

所述的金屬底座的正極電流引出端形成凹槽，金屬頂蓋的負極電流引出端形成凸起，所述的凸起和凹槽的大小相互匹配。

所述的陶瓷管、金屬底座和金屬頂蓋采用圓柱體或長方體結構；所述的凹槽設置在金屬底座的中心，凸起設置在金屬頂蓋的中心；陶瓷管、金屬底座和金屬頂蓋同軸設置。

當兩個液態金屬電池連接時，任一電池的金屬底座電流引出端嵌入另一電池的金屬頂蓋電流引出端進行導電，兩端電池電流直接引出。

還包括金屬過渡部件，所述的陶瓷管的兩端陶瓷金屬化處理后分別通過一個金屬過渡部件與金屬底座和金屬頂蓋焊接。

所述的陶瓷管的兩端均通過玻璃焊料與金屬底座和金屬頂蓋焊接。

所述的陶瓷管的材料為C700類氧化鋁陶瓷或β氧化鋁陶瓷；金屬底座和金屬頂蓋材料為不銹鋼或銅。

一種用于液態金屬電池的殼體結構的制備方法，包括以下步驟：

1)陶瓷管兩端面進行陶瓷金屬化；

2)分別將金屬過渡部件焊接在經過陶瓷金屬化的陶瓷管兩端，金屬過渡部件與陶瓷管同軸設置；

3)將金屬底座與下端的金屬過渡部件密封焊接，金屬底座與陶瓷管同軸設置；

4)液態金屬電池活性組分裝料后，將金屬頂蓋和上端金屬過渡部件密封焊接，金屬頂蓋與陶瓷管同軸設置，形成用于液態金屬電池的殼體結構。

一種用于液態金屬電池的殼體結構的制備方法，包括以下步驟：

1)采用玻璃焊料將金屬底座與陶瓷管一端密封焊接，金屬底座與陶瓷管同軸設置；

2)液態金屬電池活性組分裝料后，采用玻璃焊料將金屬底座與陶瓷管一端密封焊接，金屬底座與陶瓷管同軸設置，形成用于液態金屬電池的殼體結構。

相對于現有技術，本發明具有以下有益效果：

該電池殼體結構由陶瓷管、用作正極的金屬底座和用作負極的金屬頂蓋相互密封連接構成，解決了液態金屬電池殼體的密封問題；采用陶瓷管能夠直接解決正負電極的絕緣隔離，不需要增加絕緣層等復雜的結構，解決了正負極間的絕緣問題。并且陶瓷管的耐高溫性能優異，工作溫度能夠承受450℃以上，充放電循環良好，殼體與電池活性材料間的化學相容性以及在電池存放和運行溫度范圍內的物理化學穩定。該結構能簡化液態金屬電池的殼體制備工藝，縮小體積，有利于運行過程中的熱控制，從而節約加工、空間、能源成本。

進一步，陶瓷管、金屬底座和金屬頂蓋之間通過焊接工藝密封連接，該焊接工藝能夠有效解決液態金屬電池的密封、正負極間絕緣以及電池存放和運行過程中的理化穩定性等關鍵性技術問題。

進一步，金屬底座的正極電流引出端形成凹槽，金屬頂蓋的負極電流引出端形成凸起，可多個電池連接時只需要進行首尾嵌入配合，實現了正負極的電流導通。減少了現有的電池通過導線連接的走線的步驟，電池連接更加簡單。

本發明的制備方法采用焊接工藝密封連接，焊接工藝為陶瓷金屬化焊接工藝或者用玻璃焊料進行焊接工藝，制備出了能夠穩定充放電的液態金屬電池。

附圖說明

圖1是液態金屬電池封裝示意圖；

圖2是圖1沿A-A剖視圖；

圖3是陶瓷管示意圖；

圖4是電池金屬底座(正極)示意圖；

圖5是電池金屬頂蓋(負極)示意圖；

圖6是金屬過渡部件示意圖；

圖7是電池充放電曲線示意圖。

其中：1、陶瓷管；2、金屬底座；3、金屬頂蓋；4、金屬過渡部件；5、凸起；6、凹槽。

具體實施方式

下面結合本發明實施例中的附圖，分別以裝置結構和方法，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。

第一部分：裝置結構

如圖1至6所示，本發明一種液態金屬電池，外殼結構中含有陶瓷管1、金屬底座2和金屬頂蓋3。金屬底座2和金屬頂蓋3與陶瓷管1同軸設置。陶瓷管1的兩端分別與金屬底座2和金屬頂蓋3進行焊接。金屬底座2的電流引出端形成凹槽6，金屬頂蓋的電流引出端形成凸起5，且凹槽6與凸起5須互相匹配，兩個電池連接時能夠將任一電池的正極與另一電池的負極匹配，確保導電良好。

陶瓷管1、金屬底座2、金屬頂蓋3可以采用圓柱體或長方體結構，但需要保持一致且具有匹配性。

其中，陶瓷基體材料選自C700類氧化鋁陶瓷(詳見GB/T 8411.3-2009)、β氧化鋁陶瓷以及其他耐高溫陶瓷等。

金屬底座2和金屬頂蓋3材料選擇不銹鋼、銅等耐高溫高導電金屬。

采用本發明的電池結構，電池的正負極間有具有絕緣性的陶瓷管相隔，實現了正負極的良好絕緣。采用陶瓷金屬化工藝，通過陶瓷表面牢固的粘附一層金屬薄膜，使金屬化后的陶瓷表面能夠得到焊料的充分潤濕，從而實現陶瓷與金屬間的可靠連接，達到密封、耐高溫、防腐蝕的功能。

第二部分：制備方法

本發明的制備方法中焊接工藝為陶瓷金屬化焊接工藝或者用玻璃焊料進行焊接工藝。具體如下：

方法一：請參閱圖1-6，本發明提供的液態金屬電池按照圖示進行組件加工，采用陶瓷金屬化工藝將電池正負極分別與陶瓷管焊接在一起；首先，將圖3電池陶瓷管兩端面進行陶瓷金屬化；第二步，分別將圖6金屬過渡部件4焊接在已經進行過陶瓷金屬化的圖3電池陶瓷管兩端，與圖3的電池陶瓷管同軸；第三步，將圖4電池金屬底座(正極)與底部金屬過渡部件焊接在一起，與圖3電池陶瓷管同軸；第四步，按照液態金屬電池活性組分裝料；最后，將圖5電池金屬頂蓋和上端金屬過渡部件接觸處密封焊接成一體，與圖3電池陶瓷管同軸。完成圖1液態金屬電池封裝。

根據所用材料不同，包括：鉬錳法、鍍金法、鍍銅法、鍍錫法、LAP法(激光后金屬鍍)等多種陶瓷金屬化工藝；根據加工方法不同，進一步包括：厚膜法和共燒法。

方法二：請參閱圖1-6，本發明提供的液態金屬電池按照圖示進行組件加工，采用玻璃焊料將電池的正負極分別與陶瓷管殼焊接在一起；首先，采用玻璃焊料將圖4電池金屬底座(正極)與圖3電池陶瓷管的一端焊接在一起，與圖3電池陶瓷管同軸，確保密封；第二步，按照液態金屬電池活性組分裝料；第三步，采用玻璃焊料將圖5電池金屬頂蓋和圖3電池陶瓷管另一端焊接成一體，確保密封。完成圖1液態金屬電池封裝。

用玻璃焊料進行焊接，該玻璃焊料能夠實現陶瓷與金屬的有效焊接，焊接后能夠在常溫到工作溫度范圍內保持密封，理化性能穩定，能夠耐陶瓷和金屬間的熱應力，并保持與電池內部活性材料間的化學相容性。

第三部分：

采用本發明所述電池結構及焊接工藝，其性能如圖7所示，制備出了能夠穩定充放電的液態金屬電池。可以滿足液體金屬電池的各項參數指標。

第四部分：

列舉各種實施例見表1：

表1

由上表可以看出，本發明分別通過兩種方法制備的電池殼體結構，密封性能良好，工作溫度可以達到450℃，充電、放電循環順利。滿足各項指標要求。解決了殼體與電池活性材料間的化學相容性以及在電池存放和運行溫度范圍內的物理化學穩定性的技術問題。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。因此，本發明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。