CN209843832U - 一种液态金属电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种液态金属电池，包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中填充有负极液态金属的负极集流组件、填充有正极液态金属的正极组件以及设于所述负极集流组件和所述正极组件间填充有电解质熔盐的多孔陶瓷阻隔件；其中，所述负极集流组件包括负极，所述负极从所述正极外壳中延伸至所述正极外壳外侧并与所述正极外壳密封绝缘连接，本实用新型可抑制正极金属间化合物层的产生和拱起，避免电池内部短路，提高电池运行稳定性，延长电池循环寿命。

Description

一种液态金属电池

技术领域

本实用新型涉及高温储能电池技术领域，尤其涉及一种液态金属电池。

背景技术

液态金属电池是一种新型的高温储能电池。这种电池通常在300℃～700℃下工作，其正、负电极为液态金属，电解质熔盐为液态或半液态无机熔盐。正极、电解质熔盐、负极材料由于互不相溶，自下而上自动分层。电池工作时，负极液态金属失去电子后经由电解质熔盐层扩散至正极并与正极液态金属形成正极合金而放电。相应地，通过执行以上放电过程的逆过程而充电。液态金属电池独特的材料体系和结构设计使其具有库仑效率高、电流密度高、循环寿命长、安全可靠、成本低廉等突出优点，在规模化电力储能方面具有广阔的应用前景。

为了提高液态金属电池的输出电压，提升电池能量密度，液态金属电池通常采用电极电位较高的液态金属铅(Pb)、锑(Sb)、铋(Bi)，或以上任意一种金属的合金作为正极材料。这类正极材料虽然性能较好，但存在一个严重的问题，即在电池放电过程中会与负极材料发生合金化，生成高熔点的固态金属间化合物层。由于固态金属间化合物在形成过程中存在较大的内应力，金属间化合物层会从中心部位向上拱起。伴随电池放电深度的增加或放电电流的增大，正极金属间化合物层的拱起加剧，最终可能将正极和负极连通，造成电池内部短路。

中国专利文献(CN104112865A)公开了一种液态金属电池装置及其装配方法，提出在电池金属壳体内焊接金属网孔分隔器的设计方案，限制固相金属间化合物的变形拱起，从而阻止正、负极材料接触，避免电池过早发生内部短路失效。但是，这种设计方案中的金属网孔分隔器无法从根本上消除固相金属间化合物的形成及拱起现象，随着电池持续放电，固相金属间化合物仍可以金属枝晶形态穿过金属网孔，且金属网孔分隔器的材质为不锈钢或钛合金，当正极材料为腐蚀性较强的液态金属锑(Sb)时，金属网孔分隔器会与液态金属锑发生副反应，从而造成电池性能劣化。

实用新型内容

本实用新型的一个目的在于提供一种液态金属电池，抑制正极金属间化合物层的产生和拱起，避免电池内部短路，提高电池运行稳定性，延长电池循环寿命。

为了达到以上目的，本实用新型一方面公开了一种液态金属电池，包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中填充有负极液态金属的负极集流组件、填充有正极液态金属的正极组件以及设于所述负极集流组件和所述正极组件间填充有电解质熔盐的多孔陶瓷阻隔件；

其中，所述负极集流组件包括负极，所述负极从所述正极外壳中延伸至所述正极外壳外侧并与所述正极外壳密封绝缘连接。

优选地，所述负极集流组件包括作为负极的导电芯棒、填充有负极液态金属的负极集流体以及与所述导电芯棒和所述负极集流体分别固定连接的多孔导电连接板；

其中，所述多孔导电连接板与所述多孔陶瓷阻隔件形成用于收容所述负极集流体的封闭空间。

优选地，所述导电芯棒、负极集流体和多孔导电连接板的中心轴重合。

优选地，所述多孔陶瓷阻隔件的截面为凹形，所述凹形的开口与所述多孔导电连接板的边缘密封设置形成所述封闭空间。

优选地，所述凹形的多孔陶瓷阻隔件的外表面与所述正极外壳的内表面密封设置形成位于所述多孔陶瓷阻隔件下方的正极容纳空间，所述正极组件设于所述正极容纳空间中并与所述多孔陶瓷阻隔件的底面贴合。

优选地，所述正极组件包括填充有正极液态金属的多孔石墨板。

优选地，所述正极外壳包括对应设置的正极壳体和正极盖板。

优选地，所述正极盖板的中央形成有开孔，所述负极的第一端自所述开孔延伸至所述正极外壳外侧，所述正极盖板与所述负极间设有使所述正极盖板与所述负极绝缘并密封的密封绝缘件。

优选地，所述密封绝缘件为氧化物或氮化物陶瓷。

优选地，所述多孔陶瓷阻隔件为内部均布不规则通孔的氧化物或氮化物多孔陶瓷。

本实用新型通过在正极组件与负极集流组件间设置多孔陶瓷阻隔件以阻隔正极组件和负极集流组件，防止电池放电过程中正极组件形成的正极金属间化合物穿过多孔陶瓷阻隔件与负极集流组件接触，避免电池内部短路，提高电池运行稳定性，延长电池循环寿命。同时，多孔陶瓷阻隔件为耐高温耐腐蚀材质，不会与正极液态金属发生副反应，因此不会造成电池性能的劣化。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本实用新型一种液态金属电池一个具体实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

根据本实用新型的一个方面，本实施例公开了一种液态金属电池。如图1所示，本实施例中，所述液态金属电池包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中填充有负极液态金属的负极集流组件1、填充有正极液态金属的正极组件3以及设于所述负极集流组件1和所述正极组件3间填充有电解质熔盐的多孔陶瓷阻隔件2。其中，所述负极集流组件1包括负极，所述负极从所述正极外壳中延伸至所述正极外壳外侧并与所述正极外壳密封绝缘连接。

本实用新型通过在正极组件3与负极集流组件1间设置多孔陶瓷阻隔件2以阻隔正极组件3和负极集流组件1，防止电池放电过程中正极组件3形成的正极金属间化合物穿过多孔陶瓷阻隔件2与负极集流组件1接触，避免电池内部短路，提高电池运行稳定性，延长电池循环寿命。同时，多孔陶瓷阻隔件2为耐高温耐腐蚀材质，不会与正极液态金属发生副反应，因此不会造成电池性能的劣化。

在优选的实施方式中，本实施例中，正极外壳包括对应固定连接的正极壳体4和正极盖板5，正极盖板5覆盖正极壳体4的上开口以形成收容负极集流组件1、正极组件3和多孔陶瓷阻隔件2的电池腔体。正极盖板5与正极壳体4密封设置，正极盖板5与穿过正极盖板5的负极密封并绝缘设置，从而实现密封所述电池腔体。

其中，所述正极壳体4可选用带底板的不锈钢圆筒。正极壳体4的厚度可为3～5mm。为了与正极盖板5固定，正极壳体4顶面的内侧可凹陷形成圆台，圆台直径可小于正极壳体4外径2～3mm，圆台深度可为3～5mm。所述正极盖板5可选用中心开口的不锈钢圆板。正极盖板5的厚度与上述圆台深度相同，盖板直径与上述圆台外径相同，可使正极盖板5恰好嵌入正极壳体4中，降低电池体积。盖板中心孔直径优选的大于前述负极集流体8组件的负极的直径6～20mm。本实施例中，液态金属电池为圆形结构，即正极外壳为圆柱形，正极外壳内的负极集流体8组件、正极组件3和多孔陶瓷阻隔件2优选的也对应设置为圆柱形。在其他实施方式中，液态金属电池的截面也可为三角形、四边形或五边形等多边形等形状。此时，电池的负极集流组件1、正极组件3和正极外壳等结构的截面均可相应设计成三角形、四边形或五边形等多边形。

在优选的实施方式中，所述负极集流组件1包括作为负极的导电芯棒7、填充有负极液态金属的负极集流体8以及与所述导电芯棒7和负极集流体8分别固定连接的多孔导电连接板9，所述负极集流体8与所述正极外壳内表面密封并绝缘设置。其中，所述多孔导电连接板9与所述多孔陶瓷阻隔件2形成用于收容所述负极集流体8的封闭空间。多孔陶瓷阻隔件2中收容有负极集流体8，使负极集流体8与正极外壳和正极组件3均绝缘，也防止正极组件3生成的金属间化合物穿过与负极集流体8接触导致电池短路。

其中，优选的，所述导电芯棒7可以选用不锈钢实心棒材，导电芯棒7的直径可根据电池的最大通流要求计算确定，导电芯棒7的长度需要确保电池组装完毕后可从正极盖板5的上表面向外延伸5～10mm。

负极集流体8可选用圆形平板状的镍基泡沫合金，其厚度优选的可为5～20mm，其直径可根据电池容量所需的吸锂量确定。

多孔导电连接板9可为不锈钢材质，厚度1～3mm。多孔导电连接板9的外径优选的与负极集流体8的外径相同。从而多孔导电连接板9可与多孔陶瓷阻隔件2的内壁密封设置形成容纳负极集流体8的封闭空间，也可使多孔导电连接板9与正极外壳绝缘，防止正、负极接触导致短路。

多孔导电连接板9进一步与导电芯棒7连接，从而电连接导电芯棒7与负极集流体8。其中，导电芯棒7与多孔导电连接板9可通过焊接连接，多孔导电连接板9与负极集流体8可通过铁丝绞合连接。

优选的，导电芯棒7、负极集流体8和多孔导电连接板9三者的中心轴重合，以使电池中充放电反应均匀。

在优选的实施方式中，所述多孔陶瓷阻隔件2的截面为凹形，所述凹形的开口与所述多孔导电连接板9的边缘密封设置形成所述封闭空间。本实用新型中，多孔陶瓷阻隔件2的截面设计为凹形，在实现将正极组件3与负极集流组件1分隔的同时，还可使负极集流组件1与正极外壳绝缘，无需再设置将负极集流组件1与正极外壳绝缘的绝缘内衬等结构，降低了液态金属电池的成本和结构复杂度，提高了液态金属电池的空间利用率。

优选的，多孔陶瓷阻隔件2材质可以选用内部均布不规则通孔的氧化物(例如氧化锆、氧化镁或氧化铝等)或氮化物(氮化铝或氮化硼等)多孔陶瓷。多孔陶瓷阻隔件2的孔径优选为1～2mm，孔隙率优选为50％～95％。此外，负极集流体8的外径与多孔陶瓷阻隔件2的内径可相同，则多孔陶瓷阻隔件2可与负极集流体8紧密嵌套，使结构紧凑。在其他实施方式中，为了提高多孔陶瓷阻隔件2对特定组分的电解质熔盐的浸润效果，其内孔尺寸可适当调整，其孔隙形态可变为竖直通孔或网格状通孔等规则结构。同时，其材质也可替换成带有耐腐蚀绝缘涂层的不锈钢材质。

多孔陶瓷阻隔件2可包括底壁和自底壁边缘相对于底壁垂直延伸的侧壁。多孔陶瓷阻隔件2的内腔深度，即侧壁顶面到底壁内表面的距离，优选的高于负极集流体8的厚度5～10mm，以留有与多孔导电连接板固定的空间，多孔陶瓷阻隔件2的底壁及侧壁厚度可为2～20mm。

为了降低电池体积和隔离负极集流组件1和正极组件3，凹形的多孔陶瓷阻隔件2的外表面可与所述正极外壳的内表面密封设置形成位于所述多孔陶瓷阻隔件2下方的正极容纳空间，所述正极组件3可设于所述正极容纳空间中并与所述多孔陶瓷阻隔件2的底面贴合，从而将正极组件3限制于正极容纳空间中，防止生成的金属间化合物从侧面延伸与负极集流组件1接触导致短路。

在优选的实施方式中，所述正极组件3包括填充有正极液态金属的多孔石墨板，正极组件3中设置多孔石墨板，可进一步限制放电过程中金属间化合物的形成和拱起，同时采用大孔径的多孔石墨板也不影响负极集流体8中负极液态金属的扩散及与正极液态金属的充放电反应。并且，多孔石墨板为耐高温耐腐蚀材质，不会与正极液态金属发生副反应，因此不会造成电池性能的劣化。

所述多孔石墨板内部均布不规则通孔，孔径优选的可为1～5mm，孔隙率优选的可为50％～95％。多孔石墨板的直径与多孔陶瓷阻隔件2的外径相同，其厚度在保证电池设计容量所需的正极液态金属填充量的基础上额外增加3～5mm，以填充一定量的电解质熔盐并在电池放电过程中起到限制金属间化合物层生长的作用。多孔石墨板的上表面与多孔陶瓷阻隔件2的下表面紧密接触，以形成紧凑的电池结构。多孔石墨板的下表面与正极壳体4的底板上表面紧密接触，以使正极组件3与正极外壳电连接。在其他实施方式中，为了提高多孔石墨板对特定组分的正极液态金属的浸润效果，其内孔尺寸可适当调整，其孔隙形态可变为竖直通孔或网格状通孔等规则结构。同时，其材质也可替换成对正极液态金属浸润性更好的金属钨、钨基合金或带有耐腐蚀导电涂层的不锈钢材质等。

优选的，可在正极盖板5的中央开孔以便于负极集流组件1的导电芯棒7通过正极盖板5上的开孔延伸至正极外壳外侧。为了实现导电芯棒7与正极外壳的绝缘密封，可在正极盖板5的开口处固定绝缘密封的绝缘密封件6，例如耐高温的弹性橡胶圈或绝缘陶瓷环。导电芯棒7与绝缘密封件6紧密嵌套，从而与正极盖板5密封并绝缘。

所述绝缘密封件6为筒状的氧化物(例如氧化锆、氧化镁或氧化铝等)或氮化物(氮化铝或氮化硼等)陶瓷。密封组件的外径和高度与上述正极盖板5的中心通孔相同，其内径与前述负极集流体8组件的导电芯棒7的直径相同。

需要说明的是，本实施例仅示出了本实用新型的一个具体例子，在实际应用中，本实用新型的液态金属电池结构中的各电池组件或结构的尺寸、相对位置和间距等均可根据电池的实际材料体系、组件材质、电池容量、组装工艺等条件的变化而适当调整，这些适当调整得到的方案也在本实用新型的保护范围内。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种液态金属电池，其特征在于，包括正极外壳以及收容于所述正极外壳中填充有负极液态金属的负极集流组件、填充有正极液态金属的正极组件以及设于所述负极集流组件和所述正极组件间填充有电解质熔盐的多孔陶瓷阻隔件；

其中，所述负极集流组件包括负极，所述负极从所述正极外壳中延伸至所述正极外壳外侧并与所述正极外壳密封绝缘连接。

2.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述负极集流组件包括作为负极的导电芯棒、填充有负极液态金属的负极集流体以及与所述导电芯棒和所述负极集流体分别固定连接的多孔导电连接板；

其中，所述多孔导电连接板与所述多孔陶瓷阻隔件形成用于收容所述负极集流体的封闭空间。

3.根据权利要求2所述的液态金属电池，其特征在于，所述导电芯棒、负极集流体和多孔导电连接板的中心轴重合。

4.根据权利要求2所述的液态金属电池，其特征在于，所述多孔陶瓷阻隔件的截面为凹形，所述凹形的开口与所述多孔导电连接板的边缘密封设置形成所述封闭空间。

5.根据权利要求4所述的液态金属电池，其特征在于，所述凹形的多孔陶瓷阻隔件的外表面与所述正极外壳的内表面密封设置形成位于所述多孔陶瓷阻隔件下方的正极容纳空间，所述正极组件设于所述正极容纳空间中并与所述多孔陶瓷阻隔件的底面贴合。

6.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述正极组件包括填充有正极液态金属的多孔石墨板。

7.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述正极外壳包括对应设置的正极壳体和正极盖板。

8.根据权利要求7所述的液态金属电池，其特征在于，所述正极盖板的中央形成有开孔，所述负极的第一端自所述开孔延伸至所述正极外壳外侧，所述正极盖板与所述负极间设有使所述正极盖板与所述负极绝缘并密封的密封绝缘件。

9.根据权利要求8所述的液态金属电池，其特征在于，所述密封绝缘件为氧化物或氮化物陶瓷。

10.根据权利要求1所述的液态金属电池，其特征在于，所述多孔陶瓷阻隔件为内部均布孔径为1～2mm，孔隙率为50％～95％的通孔的氧化物或氮化物多孔陶瓷。