一种紧凑型液态金属电池及其装配方法组成比例

本发明专利技术提供一种紧凑型液态金属电池及其装配方法，所述的电池包括负极柱，高温密封装置，负极集流体，电池上盖，电池壳体和电池下盖，以及负极材料，电解质材料和正极材料；电池上盖、电池壳体和电池下盖密封连接形成密封腔体；负极材料，电解质材料和正极材料均设置在密封腔体内；负极柱穿过电池上盖设置，且通过高温密封装置与电池上盖密封连接；伸入密封腔体内的一端与负极集流体连接；负极柱伸入密封腔体的柱体上设置有圆台；高温密封装置包括套设在负极柱上的密封垫片，密封胶层，绝缘垫片和紧固螺母；密封垫片压紧设置在圆台和电池上盖之间，密封胶层密封填充在电池上盖和负极柱之间，绝缘垫片通过紧固螺母压紧设置在电池上盖上。

A compact liquid metal cell and its assembly method

The present invention provides a compact type liquid metal battery and assembling method thereof, wherein the battery comprises anode column, high temperature sealing device, the cathode current collector, battery cover, battery shell and battery cover, and the anode, electrolyte and cathode material; battery cover, battery shell and battery cover seal formation sealed cavity; negative electrode materials, electrolyte and cathode materials are arranged in the sealed cavity; the negative column passes through a battery cover, and through high temperature sealing device and battery cover seal connection; one end extends into the sealed cavity and the negative current collector is connected into the column column; anode sealing cavity is arranged on the table; high temperature sealing device comprises a sleeve is arranged in the sealing gasket, the negative pole column sealing adhesive layer, an insulating spacer and a fastening nut; sealing gasket compression is arranged in the cylinder and the battery The sealing rubber layer is sealed between the upper cover of the battery and the negative pole, and the insulating gasket is pressed on the upper cover of the battery through the fastening nut.

【技术实现步骤摘要】
一种紧凑型液态金属电池及其装配方法
本专利技术涉及储能电池
，具体为一种紧凑型液态金属电池及其装配方法。
技术介绍
液态金属电池是一种新型储能电池。顾名思义，该电池是在高温环境下(300～700℃)使其内部材料熔融为液态而进行工作。液态金属电池的负极通常为碱金属或碱土金属单质，电解质为负极金属的混合卤化物，正极为铅、锡、铋、锑的单质或合金。电池工作时，熔融态的负极、电解质及正极材料因其密度差异及互不相溶的特性而自上而下分为三层。放电时，负极金属向外电路释放电子，其离子穿过电解质在正极处重新获得电子并与正极金属形成合金；充电时，上述过程逆向进行。基于自身独特的材料体系及储能原理，液态金属电池兼具结构简单、价格低廉、大电流特性好、循环寿命长等突出优点，近年来在电网储能领域引起了广泛关注(KimH,BoysenDA,NewhouseJM,etal.LiquidMetalBatteries-Past,Present,andFuture[J].ChemicalReviews,2013,113:2075-2099)。液态金属电池的密封非常关键，这是由于其内部材料的化学性质活泼且腐蚀性较强，若电池密封不严，短期就会导致电池材料的氧化变质与电池失效，长期则会造成外部电路的腐蚀并对环境构成严重危害。基于液态金属电池较高的工作温度和电池内部强腐蚀性的正、负极金属及电解质蒸汽环境(电池内部绝对压力为1～5×105Pa)，设计在密封性、绝缘性、化学稳定性、热机械性方面均满足要求的电池结构非常具有挑战性。目前，液态金属电池的通用结构是将其外部的不锈钢壳体作为正极集流体，其内部的不锈钢负极集流杆从正极壳体的中心孔穿出并与正极壳体共同延伸至室温区后，在室温下使用高可靠性的不锈钢密封套件，通过在正极壳体与负极集流体之间设置陶瓷绝缘管，并配合弹性密封垫圈和常温固化环氧树脂的使用来同时实现正、负极间的绝缘和电池的密封。上述电池结构虽然能够实现可靠的密封效果以及较长的电池寿命，但其缺点也非常明显，主要包括：由于必须在室温区进行密封，因此从高温区到室温区必须设置较长的冷却路径，导致电池在轴向上占用的空间体积较大，体积能量密度较低；不锈钢密封套件的组装工序过于繁琐，耗工费时；同时，必须处于常温区的密封结构也增加了液态金属电堆设计的难度。(HighTemperatureSealedElectrochemicalCell：US20140014503A1)。为了实现液态金属电池的小型化，进一步提升电池的能量密度，一些研究机构也在尝试液态金属电池的紧凑型结构设计。例如，“一种液态金属电池装置及其装配方法”(申请号201410350077.1)专利中采用在电池壳体的顶部中心孔中设置绝缘陶瓷件，通过陶瓷-金属封接结构将电流引出杆的顶端与电池壳体绝缘隔离并实现电池的密封。由于适合陶瓷-金属封接的陶瓷材料(如氧化铝、氧化锆)与电池壳体材料(如不锈钢、钛合金)的热膨胀系数差异较大，当电池在300～700℃的高温下运行时，两种材料尺寸变化差异很大，由此造成电池封接部位的热应力较大，容易开裂。再比如，“一种高温液态密封电池”(申请号201521092860.9)和“耐腐蚀密封绝缘装置、中高温储能电池及装配方法”(申请号201610760938.2)两件专利中采用负极金属棒、陶瓷绝缘管、金属管(或金属外环)由内而外过盈套接，金属管(或金属外环)再与外层金属盖板焊接的设计来实现电池的整体绝缘密封。上述设计对各套接部件的加工精度要求极高，且套接过程需要在极端的温度条件下(高温120～1200℃或低温-20～-273℃)下进行，导致电池加工工艺复杂，成本过高，产品成品率较低。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种紧凑型液态金属电池及其装配方法，体积小巧，组装工序简单，密封性好，成本低廉。本专利技术是通过以下技术方案来实现：一种紧凑型液态金属电池，包括负极柱，高温密封装置，负极集流体，电池上盖，电池壳体和电池下盖，以及负极材料，电解质材料和正极材料；所述的电池上盖、电池壳体和电池下盖密封连接形成密封腔体；负极材料，电解质材料和正极材料均设置在密封腔体内；负极集流体浸没在负极材料中；所述的负极柱穿过电池上盖设置，且通过高温密封装置与电池上盖密封连接；伸入密封腔体内的一端与负极集流体连接；负极柱伸入密封腔体的柱体上设置有圆台；所述的高温密封装置包括套设在负极柱上的密封垫片，密封胶层，绝缘垫片和紧固螺母；所述的密封垫片压紧设置在圆台和电池上盖之间，所述的密封胶层密封填充在电池上盖和负极柱之间，所述的紧固螺母与负极柱螺纹连接，所述的绝缘垫片通过紧固螺母压紧设置在电池上盖上。优选的，紧固螺母和绝缘垫片之间依次设置有弹簧垫圈和压紧垫片，压紧垫片形状与绝缘垫片相同。优选的，所述电池上盖下端中心开设有嵌装密封垫片的圆形凹台，凹台直径与密封垫片的外径相同，凹台深度等于或略小于密封垫片的厚度；密封垫片的内径等于或略大于负极柱圆台以上圆棒的直径，其外径大于圆台直径至少2mm以上。优选的，圆台的圆台厚度不小于5mm，圆台与密封垫片和电池上盖形成的环形压紧区的宽度不小于10mm。优选的，所述密封胶层采用热膨胀系数为15～20×10-6/℃的耐高温无机胶。优选的，密封垫片2和与其接触的上盖和圆台之间分别设置膨胀石墨垫片。优选的，所述绝缘垫片采用陶瓷垫片或云母垫片，其内径等于或略大于负极柱上段圆棒的直径，其外径不小于负极柱的圆台直径。一种紧凑型液态金属电池的装配方法，包括如下步骤，步骤1，将包裹或吸附了负极材料的负极集流体与负极柱的下端固定连接；步骤2，然后在负极柱的圆台上端面放置密封垫片和电池上盖，并在电池上盖的中心孔与负极柱之间填充密封胶层；步骤3，在电池上盖的上端面依次同轴放置绝缘垫片、压紧垫片以及弹簧垫圈；将紧固螺母旋入负极柱的顶部螺纹中，通过紧压作用使各部件紧密贴合形成电池顶盖；步骤4，将电池壳体与电池下盖密封焊接形成电池腔体，向电池腔体中依次装入熔融的正极材料和电解质材料，然后将连接有负极集流体及负极材料的电池顶盖与电池壳体装配后密封焊接；得到紧凑型液态金属电池。优选的，所述密封垫片采用包括氧化铝、氧化铍、氧化镁和氧化锆的氧化物陶瓷，或者包括氮化铝和氮化硼的氮化物陶瓷。优选的，将密封垫片的上、下表面以及与其接触的电池上盖和圆台表面做镜面抛光处理。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术提出的紧凑型液态金属电池采用密封垫片结合耐高温密封胶层的双重密封结构，所使用的绝缘密封组件均为耐高温、耐腐蚀材质，能够在高温下长期抵御来自外部环境以及电池材料蒸汽的侵蚀；通过高强度紧固螺母、弹簧垫圈以及压紧垫片的配合紧压作用，确保了电池顶盖在高温时处于压紧密封的状态；由于无需将电池的绝缘密封部位引出加热区，可大幅压缩电池的空间体积，并显著提高电池的体积能量密度。进一步的，采用的绝缘密封组件结构简单，通过规模化、标准化生产可大幅降低成本；由于不存在橡胶圈等弹性密封组件的老化失效问题，可大幅延长液态金属电池的使用寿命，有利于提升液态金属电池的性能价格优势。进一步的，通过圆台的厚度限定，保证圆台在紧压过程中不发生明显形变。通过圆台压紧宽度的限定，保证密封垫片具有足够的压紧密封面积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑型液态金属电池，其特征在于，包括负极柱(1)，高温密封装置，负极集流体(8)，电池上盖(9)，电池壳体(10)和电池下盖(11)，以及负极材料(13)，电解质材料(14)和正极材料(15)；所述的电池上盖(9)、电池壳体(10)和电池下盖(11)密封连接形成密封腔体；负极材料(13)，电解质材料(14)和正极材料(15)均设置在密封腔体内；负极集流体(8)浸没在负极材料(13)中；所述的负极柱(1)穿过电池上盖(9)设置，且通过高温密封装置与电池上盖(9)密封连接；伸入密封腔体内的一端与负极集流体(8)连接；负极柱(1)伸入密封腔体的柱体上设置有圆台；所述的高温密封装置包括套设在负极柱(1)上的密封垫片(2)，密封胶层(3)，绝缘垫片(4)和紧固螺母(5)；所述的密封垫片(2)压紧设置在圆台和电池上盖(9)之间，所述的密封胶层(3)密封填充在电池上盖(9)和负极柱(1)之间，所述的紧固螺母(5)与负极柱(1)螺纹连接，所述的绝缘垫片(4)通过紧固螺母(5)压紧设置在电池上盖(9)上。

【技术特征摘要】
1.一种紧凑型液态金属电池，其特征在于，包括负极柱(1)，高温密封装置，负极集流体(8)，电池上盖(9)，电池壳体(10)和电池下盖(11)，以及负极材料(13)，电解质材料(14)和正极材料(15)；所述的电池上盖(9)、电池壳体(10)和电池下盖(11)密封连接形成密封腔体；负极材料(13)，电解质材料(14)和正极材料(15)均设置在密封腔体内；负极集流体(8)浸没在负极材料(13)中；所述的负极柱(1)穿过电池上盖(9)设置，且通过高温密封装置与电池上盖(9)密封连接；伸入密封腔体内的一端与负极集流体(8)连接；负极柱(1)伸入密封腔体的柱体上设置有圆台；所述的高温密封装置包括套设在负极柱(1)上的密封垫片(2)，密封胶层(3)，绝缘垫片(4)和紧固螺母(5)；所述的密封垫片(2)压紧设置在圆台和电池上盖(9)之间，所述的密封胶层(3)密封填充在电池上盖(9)和负极柱(1)之间，所述的紧固螺母(5)与负极柱(1)螺纹连接，所述的绝缘垫片(4)通过紧固螺母(5)压紧设置在电池上盖(9)上。2.根据权利要求1所述的一种紧凑型液态金属电池，其特征在于，紧固螺母(5)和绝缘垫片(4)之间依次设置有弹簧垫圈(6)和压紧垫片(7)，压紧垫片(7)形状与绝缘垫片(4)相同。3.根据权利要求1所述的一种紧凑型液态金属电池，其特征在于，所述电池上盖(9)下端中心开设有嵌装密封垫片(2)的圆形凹台，凹台直径与密封垫片(2)的外径相同，凹台深度等于或略小于密封垫片(2)的厚度；密封垫片(2)的内径等于或略大于负极柱(1)圆台以上圆棒的直径，其外径大于圆台直径至少2mm以上。4.根据权利要求1所述的一种紧凑型液态金属电池，其特征在于，圆台的圆台厚度不小于5mm，圆台与密封垫片(2)和电池上盖(9)形成的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勃，王康丽，郭姣姣，张坤，蒋凯，王玉平，李侠，
申请(专利权)人：中国西电电气股份有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61