一種板型結構的鈉-金屬氯化物電池的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種板型結構的鈉‐金屬氯化物電池。該電池中的電解質設計為兩塊板面相對的電解質板，陰極腔室位于該兩塊電解質板之間，而陽極腔室分別位于每塊電解質板的一側，構成一種夾板型結構。與現有技術相比，該鈉‐金屬氯化物電池兼具板型與管型的優點，兩塊電解質板之間的間距可調，可改變陰極腔室的體積，進而控制電池能量密度；并且電解質板易于制造、成本低，其厚度易于調節，可降低至0.1mm-1mm，從而能夠降低電池內阻，提高功率密度，降低工作溫度。因此，該鈉‐金屬氯化物電池結構簡單、成本低，能夠兼顧電池能量密度與功率密度，具有良好的應用前景。
【專利說明】
一種板型結構的鈉-金屬氯化物電池
技術領域
[0001]本發明涉及鈉-金屬氯化物電池技術領域，具體涉及一種板型結構的鈉-金屬氯化物電池。【背景技術】
[0002]鈉-金屬氯化物電池，例如鈉-氯化鎳電池(ZEBRA)是在高溫鈉硫電池基礎上發展出的一種高溫鈉離子電池。
[0003]鈉-金屬氯化物電池通常為管型結構，如在專利文獻CN201110176595.2、 CN201110404956.4、CN201110361306.6、CN201210281434.4、CN201210557392.2、 CN201310062205.8、以及CN201280037819.4中所涉及的電池均為管型結構。管型電池的核心部件為電解質管(例如電解質0 "_A1203管等)，電解質管內部形成陰極腔室，陰極材料包括陰極活性材料金屬單質(例如Ni等)、NaCl等與電解液(例如似六1(:14等)位于該陰極腔室，管外壁與電池外殼之間形成陽極腔室，陽極材料位于該陽極腔室。在充電的條件下， 陰極中的金屬單質(例如Ni等)與NaCl反應，形成Na與金屬氯化物，產生的Na離子透過電解質管停留在負極腔室，形成高溫熔融Na金屬。在放電的條件下，陽極腔室中的高溫熔融Na金屬形成的Na離子透過電解質管到達陰極腔室，并與陰極腔室中的NiCl反應，形成 NaCl與金屬單質。
[0004]管型結構因密封相對容易，內部容量大，電池容易達到較高能量密度的優點，在鈉硫與鈉氯化鎳上廣泛采用。但是，管型結構的電池存在以下問題:
[0005](1)電解質呈管狀，其成型與燒結難度大，批量制備時技術要求高，設備投入及成本高，成品率較低；
[0006](2)電解質管的管壁厚度需高于1mm，通常在1.5mm及以上，造成電池內阻大、電池功率密度低，并且運行溫度高，通常在270°C及以上，導致對密封材料的要求高，電池壽命短；
[0007](3)電解質管的管表面形貌控制難度大，成本高，集流較困難，無法施行加壓集流與密封。
[0008]為此，提出板型鈉-金屬氯化物電池，將電解質設計為板狀結構，稱為電解質板。 與管型結構相比，板型電池結構具有如下優點:
[0009](1)電解質板的成型與燒結相對容易，批量制備技術簡單，成品率高，成本較低；
[0010]⑵電解質板的厚度可降低至0.lmm-lmm，電池低溫內阻下降，可實現 170°C _250°C低溫運行，電池功率密度較高；另外，由于工作溫度的降低可擴展密封及電池殼體材料的選擇范圍，有利于電池成本的降低及壽命的延長。
[0011]⑶電解質板的表面形貌控制容易，成本較低，集流方便，可實現加壓集流與密封。
[0012]但是，板型鈉-金屬氯化物電池的結構設計通常存在電解質板與密封結構設計復雜，電池能量密度不高等問題。并且，當操作溫度降低至250°C及以下時，電池能量與功率密度無法兼顧的問題。
[0013]例如，專利文獻US20120088133A1提供了一種平板型的鈉氯化鎳電池結構，該結構相對于傳統管型電池具有電解質板制備簡單、成本低，能夠降低操作溫度等優勢，但仍然存在以下問題:
[0014](1)電解質板設置三個功能孔，為了保證三個孔的精確定位與尺寸精度，電解質板的制作難度仍然較大，成品率較低；
[0015](2)將一片電解質板的兩面分別設置為電池的陰陽極腔室及陰陽極集流體，電池功率密度可以高于管式，但能量密度很難高于管型電池，即電池能量密度與功率密度難以兼顧。
【發明內容】
[0016]針對上述技術現狀，本發明提供了一種板型結構的鈉-金屬氯化物電池，該電池結構簡單易實現，可兼顧電池能量密度與功率密度，較好地實現電池能量密度與功率密度的平衡。
[0017]本發明的技術方案為:一種板型結構的鈉-金屬氯化物電池，包括兩塊電解質板、 密封殼體、陰極集流體與陽極感應體；
[0018]所述的兩塊電解質板位于殼體內部，兩塊電解質板的板面相對并且距離一定間隔，每塊電解質板的周圍側面與殼體壁密封連接；兩塊電解質板相對的兩板面以及殼體壁形成與殼體外界絕緣的陰極腔室，用于填充陰極材料；兩塊電解質板相背的兩板面分別與殼體壁形成與殼體外界導電的兩陽極腔室；
[0019]陰極集流體的一端插入陰極腔室，另一端伸出殼體壁，并且與殼體壁密封連接；
[0020]陽極感應體位于每個陽極腔室內部，并且與電解質板的板面相接觸。
[0021]兩塊電解質板相對的兩板面之間的距離可調，作為優選，該距離為6mm-20mm。
[0022]所述的電解質板的厚度優選為0.lmm-lmm，進一步優選為0.2mm-〇.5mm。
[0023]所述的陰極集流體的形狀不限，通常為板型等。
[0024]所述的陰極集流體的材料包括但不限于鎳、石墨、二維層狀過渡金屬碳化物納米片(MXenes)等。
[0025]所述的陽極感應體的形狀不限，通常為板型等。所述的陽極感應體的材料包括但不限于銅、二維層狀過渡金屬碳化物納米材料(MXenes)等。
[0026]所述的陰極材料包括陰極活性材料，例如金屬單質(如Ni等)與NaCl等。所述的陰極材料還可以包括陰極電解液，例如~&六1(:14等。另外，所述的陰極材料還可以包括其他添加劑，例如氟化鈉、碘化鈉、鋁粉、鐵粉、硫化鋅、硫化亞鐵等。
[0027]所述的電解質板的材料包括但不限于0 〃-Al203等。
[0028]所述的電解質板的形狀不限，包括矩形、圓形、U型等。
[0029]所述的電解質板的板面形貌不限，包括平面、凹凸面、各類多孔表面等。電解質板面形貌的控制將有利于改善熔融陰極材料與電解質板面的浸潤性，提高電池性能，特別是循環性能，延長電池壽命。
[0030]為了進一步提高陰極腔室的密封性能，作為優選，在位于兩塊電解質板相對板面之間的殼體壁的內側設置陰極絕緣密封件。
[0031]為了進一步提高陽極腔室的密封性能，作為優選，在陽極腔室中與電解質板相連接部位的殼體內壁設置陽極密封件。
[0032]在實際應用中，可以將多個上述板型結構的鈉-金屬氯化物電池進行串聯或者并聯，構成大容量鈉-金屬氯化物電池組。串聯方法中，依次將其中一個鈉-金屬氯化物電池的導電殼體與另一個鈉-金屬氯化物電池的陰極集流體相連接，首個鈉-金屬氯化物電池的導電殼體引出陽極，末尾的鈉-金屬氯化物電池的陰極集流體引出陰極。并聯方法中，將各個鈉-金屬氯化物電池的導電殼體進行并聯形成陽極，將各個鈉-金屬氯化物電池的陰極集流體進行并聯形成陰極。
[0033]本發明還提供了一種制備上述電解質板的方法:將電解質材料球磨為粉體，混合均勻后進行煅燒，然后成型為板材，得到預成型體；將預成型體進行燒結，得到成型板材。
[0034]所述的煅燒溫度優選為1000°C -1200°C，煅燒時間優選為2h_5h。
[0035]所述的成型方法不限，包括干壓，熱壓等。
[0036]所述的燒結溫度優選為1500°C -1580°C。作為優選，燒結后進行保溫，保溫時間優選為0.5h-2h。更優選地，所述的燒結采用兩步燒結方式:首先升溫至1550°C，然后降溫至 1300°C -1450°C，最后保溫 6h-12h。
[0037]綜上所述，本發明將鈉-金屬氯化物電池中的電解質設計為兩塊板面相對的電解質板，陰極腔室位于該兩塊電解質板之間，而陽極腔室分別位于每塊電解質板的一側，構成一種夾板型結構。與現有技術相比，該鈉_金屬氯化物電池具有如下有益效果:
[0038](1)陽極腔室位于兩塊電解質板之間，兼具板型與管型的優點，兩塊電解質板之間的間距可調，通過間距的調節可改變陰極腔室的體積，進而控制電池能量密度，可得到不同能量密度及功率密度的電池；
[0039]⑵電解質板厚度易于調節，可降低至0.lmm-lmm，從而能夠降低電池內阻，提高功率密度，降低工作溫度；
[0040](3)電解質板結構簡單，易于制造，成品率高，成本低；
[0041](4)電解質板面形貌易于控制，通過控制該形貌可改善熔融陰極材料與電解質界面的浸潤性，進一步提尚電池性能，特別是循環性能，延長電池壽命；
[0042](5)相對于常規板型電池，該結構電池節省了一組陰極集流與密封部件，因而節省了電池空間與重量；
[0043]因此，該鈉_金屬氯化物電池結構簡單、成本低，能夠兼顧電池能量密度與功率密度，可較好的實現電池能量密度與功率密度的平衡，具有良好的應用前景。【附圖說明】
[0044]圖1是本發明實施例1中板型結構的鈉-氯化鎳電池的結構示意圖；
[0045]圖2是本發明實施例2中板型結構的鈉-氯化鎳電池的結構示意圖；
[0046]圖3是本發明實施例3中兩個板型結構的鈉-氯化鎳電池經串聯形成的電池組結構示意圖；
[0047]圖4是本發明實施例4中兩個板型結構的鈉-氯化鎳電池經并聯形成的電池組結構示意圖。具體實施方案
[0048]以下參照具體的附圖與實施例來說明本發明。本領域技術人員可以理解，這些實例僅用于說明此發明的目的，其不以任何方式限制本發明的范圍。
[0049]圖1至圖4中的附圖標記為:殼體1、第一電解質P 〃-Al203板21、第二電解質 P "_A1203板22、第一陽極感應板31、第二陽極感應板32、陽極密封件33、陽極集流板34、陰極腔室41、陰極絕緣密封件42、陰極集流板43、導線5、陰極并聯板44。
[0050]實施例1:
[0051]本實施例中，鈉-金屬氯化物電池為板型結構，其結構示意圖如圖1所示，包括密封殼體1、第一電解質0〃-Al2O3板21、第二電解質0〃-Al2O3板22、第一陽極感應板31、第二陽極感應板32以及陰極集流板4。第一電解質0 "_A1203板21與第二電解質0 "-A1 203 板22均為立方體結構，厚度分別為0.其板面均為矩形結構。第一電解質0 〃_A1203板21與第二電解質0 "_A1203板22位于殼體內部，第一電解質0 "-A1 203板21與第二電解質P 〃-Al203板22的板面相對并且距離一定間隔，其中第一電解質0 〃-Al 203板21的A板面與第二電解質0 "-A1203板22的A’板面為兩相對板面，第一電解質0 "-A1 203板21的B 板面與第二電解質0 "_A1203板22的B’板面為兩相背板面。第一電解質0 "-A1 203板21 的四周側面與殼體壁密封連接，第二電解質0 "_A1203板22的四周側面與殼體壁密封連接。 第一電解質0 〃-Al203板21的A板面、第二電解質0 "-A1 203板22的A’板面，以及殼體壁形成與外界絕緣的陰極腔室，工作狀態時陰極材料，填充在該陰極腔室中。本實施例中，陰極材料由正極活性物料與正極電解液組成，正極活性物料包括鎳粉與氯化鈉，還可以包括其它添加劑，如氟化鈉、碘化鈉、鋁粉、鐵粉、硫化鋅、硫化亞鐵等，正極電解液包括NaAlC14 等。電解質P〃-A1203板21的B板面與殼體壁形成與外界導電的第一陽極腔室。第二電解質P "-A1203板22的B’板面與殼體壁形成與外界導電的第二陽極腔室。
[0052]在陰極腔室中設置陰極集流板4,陰極集流板材質為鎳。陰極集流板4的一端插入陰極腔室，另一端伸出殼體壁，并且與殼體壁密封連接。
[0053]第一陽極感應板31位于第一陽極腔室內部，其板面緊靠第一電解質板21的B板面。第二陽極感應板32位于第二陽極腔室內部，其板面緊靠第二電解質板22的B’板面。
[0054]該鈉-金屬氯化物電池的制作包括如下步驟:
[0055](1)電解質P 〃-Al203板的制作
[0056]將電解質材料P 〃_A1203球磨為粉體，混合均勻后在1000°C -1200°C下煅燒2h_5h， 然后干壓成型為板材，得到厚度為0.3mm-0.8mm的預成型體；將預成型體進行燒結，采用兩步燒結方式:首先升溫至1550°C，然后降溫至1300°C -1450°C，最后保溫6h-12h，得到成型板材；
[0057](2)將電解質P "_A1203板、殼體、密封件、陰極集流板以及陽極感應板進行裝配， 然后加壓密封；
[0058](3)在陰極腔室中填充正極活性物料與正極電解液，然后抽真空，密封陰極腔室。
[0059]實施例2:
[0060]本實施例中，鈉-金屬氯化物電池為板型結構，其結構示意圖如圖2所示。該鈉-金屬氯化物電池的結構與實施例1中的結構基本相同，所不同的是為了進一步提高陰極腔室的絕緣密封性能，在位于第一電解質0"-Al2O3板21的A板面與第二電解質 0 "_A1203板22的A’板面之間的殼體壁的內側設置陰極絕緣密封件42 ;為了進一步提高陽極腔室的密封性能，在陽極腔室中與第一電解質0 "_A1203板21相連接部位的殼體內壁設置陽極密封件32,在陽極腔室中與第二電解質0 "_A1203板22相連接部位的殼體內壁也設置陽極密封件32。
[0061]實施例3:
[0062]本實施例中，鈉-金屬氯化物電池為兩個板型結構的鈉-金屬氯化物電池經串聯形成的電池組，如圖3所示。其中，單個板型結構的鈉-金屬氯化物電池結構與實施例2中的電池結構完全相同。將其中一個鈉-金屬氯化物電池的導電殼體1通過導線5與另一個鈉-金屬氯化物電池的陰極集流體43相連接，一個鈉-金屬氯化物電池的導電殼體引出陽極，另一個鈉-金屬氯化物電池的陰極集流體引出陰極。
[0063]實施例4:
[0064]本實施例中，鈉-金屬氯化物電池為三個板型結構的鈉-金屬氯化物電池經并聯形成的電池組，如圖4所示。其中，單個板型結構的鈉-金屬氯化物電池結構與實施例2中的電池結構完全相同。將各個鈉-金屬氯化物電池的導電殼體1進行并聯形成陽極，將各個鈉-金屬氯化物電池的陰極集板43通過陰極并聯板44進行并聯形成陰極。
[0065]以上所述的實施例對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的具體實施例，并不用于限制本發明。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在有權利要求書所確定的保護范圍。
【主權項】
1.一種板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:包括兩塊電解質板、密封殼體、陰極集流體與陽極感應體；所述的兩塊電解質板位于殼體內部，兩塊電解質板的板面相對并且距離一定間隔，每 塊電解質板的周圍側面與殼體壁密封連接；兩塊電解質板相對的兩板面以及殼體壁形成與殼體外界絕緣的陰極腔室，用于填充陰 極材料；兩塊電解質板相背的兩板面分別與殼體壁形成與殼體外界導電的兩陽極腔室；陰極集流體的一端插入陰極腔室，另一端伸出殼體壁，并且與殼體壁密封連接；陽極感 應體位于每個陽極腔室內部，并且與電解質板的板面相接觸。2.如權利要求1所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:所述的兩塊電解 質板相對的兩板面之間的距離可調；作為優選，所述的兩塊電解質板相對的兩板面之間的 距離為6mm-20mm〇3.如權利要求1所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:所述的電解質板 的厚度為〇? lmm-lmm，優選為〇? 2mm-0.5mm ;作為優選，所述的陰極集流體的材料是鎳、石墨、二維層狀過渡金屬碳化物納米片。4.如權利要求1所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:所述的陽極感應 體的材料是銅、二維層狀過渡金屬碳化物納米材料。5.如權利要求1所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:所述的陰極材料 包括陰極活性材料與陰極電解液；作為優選，所述的陰極活性材料包括金屬單質與NaCl ; 所述的陰極電解液包括NaAlCl4。6.如權利要求1所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:所述的電解質板 的材料包括0"^12〇3;作為優選，所述的電解質板的形狀是矩形、圓形或者U型；作為更優 選，所述的電解質板的板面是平面、凹凸面或者多孔表面。7.如權利要求1中所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:所述的電解質 板的制備方法包括如下步驟:將電解質材料球磨為粉體，混合均勻后進行煅燒，然后成型為板材，得到預成型體；將 預成型體進行燒結，得到成型板材；所述的煅燒溫度優選為l〇〇〇°C -1200°C ;所述的煅燒時間優選為2h_5h ;所述的燒結溫度優選為1500°C -1580°C ;所述的燒結優選采用兩步燒結方式:首先升溫至1550°C，然后降溫至1300°C -1450°C， 最后保溫6h_12h。8.如權利要求1所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池，其特征是:在位于兩塊電解 質板相對板面之間的殼體壁的內側設置陰極絕緣密封件；作為優選，在陽極腔室中與電解 質板相連接部位的殼體內壁設置陽極密封件。9.一種板型結構的鈉-金屬氯化物電池組，是由多個權利要求1至8中任一權利要求 所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池串聯而形成。10.—種板型結構的鈉-金屬氯化物電池組，是由多個權利要求1至8中任一權利要求 所述的板型結構的鈉-金屬氯化物電池并聯而形成。
【文檔編號】H01M10/39GK105990614SQ201510078221
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月13日
【發明人】王建新, 官萬兵
【申請人】中國科學院寧波材料技術與工程研究所