本發(fā)明屬于儲(chǔ)能電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于中高溫儲(chǔ)能電池的耐腐蝕密封絕緣裝置及裝配方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)有的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中，中高溫儲(chǔ)能電池如鈉硫電池、液態(tài)金屬電池等儲(chǔ)能技術(shù)具有無(wú)污染、高能量效率、靈活的功率和能量搭配輸出等特征以及長(zhǎng)壽命、低維護(hù)成本等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用前景非常好的儲(chǔ)能技術(shù)。

中高溫電池的電極材料多采用鋰、鈉、鎂等堿性金屬中的一種或多種，電池在中高溫環(huán)境下（150℃~700℃之間）工作時(shí)，電極材料或電解質(zhì)材料存在熔融或汽化的可能。上述電極材料或電解質(zhì)材料在室溫時(shí)就極具活性，隨著溫度升高，其活性呈指數(shù)級(jí)增大。這將對(duì)電池密封裝置的設(shè)計(jì)提出了極高要求。

應(yīng)用于電池正負(fù)極之間的密封裝置，需同時(shí)具有密封（防止鋰、鈉、鎂及其合金等電池內(nèi)部有效成分泄露）、防腐（裝置自身需具有防腐效果，避免其被電池內(nèi)鋰、鈉、鎂及其合金等腐蝕，導(dǎo)致有效活性成分含量減少或者被腐蝕區(qū)電絕緣性下降）和絕緣（在使用溫度區(qū)間內(nèi)，采用的絕緣材料在電池正負(fù)極間的體積電導(dǎo)率應(yīng)大于10⁶Ω/cm）功能。另外，密封防腐絕緣裝置需要小型化，使其應(yīng)用于電池時(shí)達(dá)到提升電池體積能量密度的目的。

在有關(guān)高溫液態(tài)金屬電池的密封設(shè)計(jì)中，多數(shù)采用裝配的原理實(shí)現(xiàn)密封，如“一種液態(tài)金屬電池裝置”（申請(qǐng)?zhí)?01420780918.8）、 “半液態(tài)金屬電極儲(chǔ)能電池”（申請(qǐng)?zhí)?01310131587.5）等專利中采用的絕緣陶瓷環(huán)絕緣為加裝或者緊固的方式，密封性得不到保障，且上述專利的電池結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。

再比如，“一種液態(tài)金屬電池裝置及其裝配方法”（申請(qǐng)?zhí)?01410350077.1）等專利中提到了“采用密封絕緣陶瓷件將金屬電流引出桿的頂端與電池殼體緊固”實(shí)現(xiàn)密封和絕緣，陶瓷僅緊固在金屬電流引出桿上，故該密封方式不能滿足液態(tài)金屬電池在高溫下苛刻的密封要求（常溫緊固時(shí)可能實(shí)現(xiàn)密封，但在高溫下因材料膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致陶瓷緊固件與緊固基體的熱脹冷縮量不同，從而不能達(dá)到有效密封）。

還有從密封材料方面進(jìn)行改進(jìn)，例如“一種用于高溫儲(chǔ)能電池的密封材料及制備”（申請(qǐng)?zhí)?01310702834.2）專利中提到了用CaAl₂S₄作為密封劑，用氧化鋁等粉末+粘結(jié)劑構(gòu)成一種高溫儲(chǔ)能電池的密封材料，需要用CaAl₂S₄作為密封劑，并混用粉末狀物質(zhì)高溫?zé)崽幚韥?lái)實(shí)現(xiàn)密封，過(guò)程復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種用于中高溫儲(chǔ)能電池的耐腐蝕密封絕緣裝置及其裝配方法，實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的耐腐蝕、密封和絕緣性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種用于中高溫儲(chǔ)能電池的耐腐蝕密封絕緣裝置，包括用于引出電流的金屬桿，金屬桿通過(guò)絕緣陶瓷件裝配在電池蓋板上，在絕緣陶瓷件下方的電池內(nèi)側(cè)設(shè)置帶孔的碗托，金屬桿穿過(guò)碗托上的孔，該碗托將絕緣陶瓷件蓋住，在碗托與絕緣陶瓷件之間圍成一封閉腔，該封閉腔內(nèi)裝有液封用鹽，液封用鹽的熔點(diǎn)低于電池穩(wěn)定工作時(shí)的溫度。

在一個(gè)具體實(shí)施方式中，所述絕緣陶瓷件為絕緣陶瓷環(huán)，絕緣陶瓷環(huán)套在金屬桿上，在電池殼體和絕緣陶瓷環(huán)之間還設(shè)置金屬外環(huán)，金屬外環(huán)套在絕緣陶瓷環(huán)外。

在一個(gè)具體實(shí)施方式中，金屬桿、絕緣陶瓷環(huán)和金屬外環(huán)三者通過(guò)過(guò)盈配合的方式裝配成整體件。碗托焊接在金屬桿上。金屬桿、金屬外環(huán)和碗托采用與絕緣陶瓷環(huán)熱膨脹系數(shù)相近或基本一致的金屬材料。

在一個(gè)具體實(shí)施方式中，碗托為圓形，沿軸向截面呈鏡像對(duì)稱的雙L形。

在一個(gè)具體實(shí)施方式中，碗托與金屬外環(huán)間設(shè)置環(huán)形陶瓷墊片，陶瓷墊片上表面與金屬外環(huán)下表面接觸，陶瓷墊片下表面被碗托側(cè)壁上沿頂住，碗托與絕緣陶瓷環(huán)和陶瓷墊片之間圍成一封閉腔。

在一個(gè)具體實(shí)施方式中，在金屬外環(huán)下表面上、沿其內(nèi)孔設(shè)置一圈凸起部，陶瓷墊片套在凸起部的外側(cè)，凸起部伸入到液封用鹽中。

在一個(gè)具體實(shí)施方式中，液封用鹽熔點(diǎn)在150℃~700℃之間。

在一個(gè)具體實(shí)施方式中，液封用鹽為氟化鈉（NaF）、氟化鉀（KF）、氟化鋰（LiF）、氟化鎂（MgF₂）、氯化鈉（NaCl）、氯化鎂（MgCl₂）、氯化鉀（KCl)、溴化鋰（LiBr）和鋰酸鋁（AlLiO₂）中的一種或多種混合物。

本發(fā)明還提供一種采用所述耐腐蝕密封絕緣裝置的中高溫儲(chǔ)能電池，所述電池為鈉硫電池或液態(tài)金屬電池。

上述耐腐蝕密封絕緣裝置的裝配方法，包括：

將金屬桿的外表面、絕緣陶瓷環(huán)的內(nèi)外壁和金屬外環(huán)的內(nèi)壁加工成鏡面；

將絕緣陶瓷環(huán)的內(nèi)徑加工至小于金屬桿外徑，加熱絕緣陶瓷環(huán)至120℃~1200℃，或?qū)⒔饘贄U冷凍至零下20℃~零下273℃，利用熱脹冷縮原理使絕緣陶瓷環(huán)套裝在金屬桿上實(shí)現(xiàn)緊密配合，由此制得金屬桿-絕緣陶瓷環(huán)裝配件；

將金屬外環(huán)內(nèi)徑加工至小于絕緣陶瓷環(huán)外徑，加熱金屬外環(huán)至120℃~1200℃，或?qū)⒔饘贄U-絕緣陶瓷環(huán)裝配件冷凍至零下20℃~零下273℃，利用熱脹冷縮原理使金屬桿-絕緣陶瓷環(huán)裝配件穿過(guò)金屬外環(huán)實(shí)現(xiàn)緊密配合；

在碗托中填充液封用鹽，并套裝在金屬桿上，使碗托上沿緊貼住陶瓷墊片，將碗托和金屬桿焊接在一起。

首先，本發(fā)明利用液封的原理實(shí)現(xiàn)第一道密封、防腐和絕緣功能，即在裝配件下端加裝有碗托和液封用鹽構(gòu)成的液封裝置。液封介質(zhì)選用導(dǎo)離子但不導(dǎo)電子的液封用鹽，將鹽置于碗托中，當(dāng)電池在中高溫（150℃~700℃）下工作時(shí)，碗托中的鹽發(fā)生固液相轉(zhuǎn)變?nèi)刍梢簯B(tài)，從而起到液封作用。阻止電池內(nèi)部電極材料、電解質(zhì)等活性物質(zhì)的泄露以及電池外部氧氣、水分等進(jìn)入到電池內(nèi)部。

陶瓷墊片兼具防止液封用鹽溢出的功能。金屬桿和碗托可以直接和電池罐體中的金屬或金屬蒸氣（300~700℃下負(fù)極金屬氣化形成，負(fù)極可以為鋰、鈉、鎂及其合金）接觸，實(shí)現(xiàn)密封并耐鋰、鈉、鎂及其合金腐蝕。

進(jìn)一步的，本發(fā)明利用裝配的原理實(shí)現(xiàn)第二道密封、防腐和絕緣的功能，即由內(nèi)向外依次為金屬桿-絕緣陶瓷環(huán)-金屬外環(huán)的層狀套管結(jié)構(gòu)。該層狀套管結(jié)構(gòu)由金屬與陶瓷過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)，陶瓷兼具密封、絕緣和防腐的功能，金屬兼具導(dǎo)電、防腐和輔助密封的特性；金屬件可采用焊接的方式與其他金屬件如電池殼體實(shí)現(xiàn)連接和密封。

更進(jìn)一步的，選用在不同溫度時(shí)具有相近膨脹系數(shù)的金屬和陶瓷材料進(jìn)行匹配，再利用過(guò)盈配合的物理密封原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電池的裝配密封。

綜上，本發(fā)明在機(jī)械裝配的基礎(chǔ)上，采用裝配密封+液封的原理，裝配結(jié)構(gòu)件、陶瓷墊片和液封結(jié)構(gòu)件的一體化設(shè)計(jì)，在正極和負(fù)極間巧妙地實(shí)現(xiàn)雙重密封，具有優(yōu)良的氣密性和防腐蝕性能，保障了中高溫電池在150℃~700℃間工作時(shí)的使用壽命，同時(shí)兼具絕緣和小型化的特點(diǎn)。本發(fā)明在保證機(jī)械強(qiáng)度的前提下極大地減小了電池體積，彌補(bǔ)了目前僅采用配合方式實(shí)現(xiàn)密封的簡(jiǎn)易密封絕緣防腐裝置無(wú)法縮小電池單體體積的不足，同時(shí)簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了成本。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例耐腐蝕密封絕緣裝置的縱剖視圖。

圖2為本發(fā)明裝置接裝在中高溫電池外殼上端的縱剖視圖。

圖3為本發(fā)明裝置應(yīng)用在液態(tài)金屬電池的的縱剖視圖。

附圖中，1-金屬桿，2-絕緣陶瓷環(huán)，3-金屬外環(huán)，3.1-凸起部，4-陶瓷墊片，5-液封用鹽，6-碗托， 7-負(fù)極材料，8-電解質(zhì)，9-正極材料，10-金屬蓋板，11-電池殼體，12-氣態(tài)的鋰、鈉、鎂或鋰鈉鎂合金。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明。

本發(fā)明中，電池殼體所圍成的裝有電解質(zhì)的封閉空間為電池“內(nèi)”側(cè)/部，與之相對(duì)的被電池殼體分隔開的敞開空間為“外”側(cè)/部。“上”、“下”是按圖中所描繪的上下關(guān)系理解。

本發(fā)明的耐腐蝕密封絕緣裝置適用于中高溫儲(chǔ)能電池，工作溫度150℃~700℃。例如，適用于鈉硫電池、液態(tài)金屬電池等。

如圖1所示，本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的中高溫電池用密封防腐絕緣裝置，包括金屬桿1、絕緣陶瓷環(huán)2、金屬外環(huán)3、陶瓷墊片4、液封用鹽5、碗托6。

該裝置應(yīng)用于電池時(shí)，金屬桿1可以連接正極或者負(fù)極導(dǎo)電區(qū)，金屬外環(huán)3可以連接負(fù)極或者正極導(dǎo)電區(qū)。在如圖3所示實(shí)施例中，金屬蓋板10與電池正極相連，金屬棒1與負(fù)極材料7相連。

在如圖3所示實(shí)施例中，正極材料9、電解質(zhì)8、負(fù)極材料7設(shè)于電池殼體11內(nèi)。采用金屬多孔材料（例如多孔泡沫鐵鎳合金） 位于電解質(zhì)8 內(nèi)，并吸附有負(fù)極材料7。

絕緣陶瓷環(huán)2和金屬外環(huán)3為環(huán)形。金屬桿1穿過(guò)絕緣陶瓷環(huán)2的中心孔，絕緣陶瓷環(huán)2位于金屬外環(huán)3的中心孔內(nèi)。金屬桿1、絕緣陶瓷環(huán)2和金屬外環(huán)3三者通過(guò)過(guò)盈配合的方式裝配成三層套管的裝配結(jié)構(gòu)件。

中心處有通孔的碗托6沿軸向截面呈鏡像對(duì)稱的雙L形。碗托6中填充有液封用鹽5。裝配結(jié)構(gòu)件的金屬桿1穿過(guò)碗托6的通孔，使碗托6位于金屬外環(huán)3的正下方。

在碗托6與金屬外環(huán)3間置放陶瓷墊片4。陶瓷墊片4為環(huán)形，上表面與金屬外環(huán)3下表面接觸，下面被碗托6側(cè)壁上沿頂住，陶瓷墊片4內(nèi)壁直接套在金屬外環(huán)3下表面上、沿其內(nèi)孔一圈設(shè)置的凸起部3.1的外側(cè)。凸起部3.1伸入到液封用鹽5中。

在外力作用下將碗托6、陶瓷墊片5和金屬外環(huán)3三者緊密貼合，并將碗托6焊接在金屬桿1上實(shí)現(xiàn)密封連接，使金屬桿1、絕緣陶瓷環(huán)2、金屬外環(huán)3、陶瓷墊片4、液封用鹽5、碗托6形成一個(gè)整體，從而構(gòu)成小型密封防腐絕緣裝置。

本發(fā)明一個(gè)具體實(shí)施例的具體加工和裝配過(guò)程如下：

將金屬桿1的外表面、絕緣陶瓷環(huán)2的內(nèi)外壁和金屬外環(huán)3的內(nèi)壁加工成鏡面；將絕緣陶瓷環(huán)2的內(nèi)徑加工至小于金屬桿外徑0.001~1mm。加熱絕緣陶瓷環(huán)2至120℃~1200℃，絕緣陶瓷環(huán)2受熱膨脹后，迅速插入未加熱的金屬桿1，經(jīng)自然冷卻后的絕緣陶瓷環(huán)2自然收縮而與金屬桿1無(wú)縫緊密裝配，實(shí)現(xiàn)了金屬陶瓷件的裝配；或?qū)⒔饘贄U1在零下20℃~零下273℃冷凍收縮后，將未冷凍的絕緣陶瓷環(huán)2迅速套裝在經(jīng)冷凍的金屬桿1上，冷凍的金屬桿1恢復(fù)至常溫后與絕緣陶瓷環(huán)2無(wú)縫緊密配合，實(shí)現(xiàn)了金屬-陶瓷間的裝配。通過(guò)該方法可制得金屬桿1-絕緣陶瓷環(huán)2的裝配件（簡(jiǎn)稱件一）；

將金屬外環(huán)3內(nèi)徑加工至小于絕緣陶瓷環(huán)2外徑0.001~1mm，加熱金屬外環(huán)3至120℃~1200℃，或?qū)⒔^緣陶瓷環(huán)2冷凍至零下20℃~零下273℃，利用熱脹冷縮原理，使件一穿過(guò)金屬外環(huán)3而實(shí)現(xiàn)件1與金屬外環(huán)3的無(wú)縫緊密配合，從而由內(nèi)而外實(shí)現(xiàn)了金屬桿1-絕緣陶瓷環(huán)2-金屬外環(huán)3三者之間的三層套管狀裝配，得到裝配結(jié)構(gòu)件。

在碗托6中填充一定的液封用鹽5，并套裝在金屬桿1上，使碗托6上沿緊貼住陶瓷墊片4。將碗托6和金屬桿1緊密焊接在一起，構(gòu)成本發(fā)明小型密封防腐絕緣裝置。

該裝置應(yīng)用于中高溫電池時(shí)，可以通過(guò)將本發(fā)明密封防腐絕緣裝置中的金屬外環(huán)3與電池罐體進(jìn)行激光焊接，構(gòu)成一個(gè)密封整體，從而確保電池在中高溫條件下長(zhǎng)效運(yùn)行。

液封用鹽的選擇，其熔點(diǎn)低于電池穩(wěn)定工作時(shí)的溫度，使得其在150℃~700℃可以熔化，優(yōu)選為氟化鈉（NaF）、氟化鋰（LiF）、氟化鎂（MgF₂）、氯化鈉（NaCl）、氯化鎂（MgCl₂）、氯化鉀（KCl)、氟化鉀（KF）、溴化鋰（LiBr）、鋰酸鋁（AlLiO₂）等中的一種或多種混合物。

進(jìn)一步的，選擇熱膨脹系數(shù)相近的金屬和陶瓷材料。優(yōu)選的，絕緣陶瓷環(huán)2或陶瓷墊片4為氧化鎂、氧化鋯、氧化釔、氧化鈹、氮化硼、氮化鋁或氮化硅中的一種或多種。絕緣陶瓷環(huán)2或陶瓷墊片4可為相同或不同的陶瓷材料。

優(yōu)選的，金屬桿1、金屬外環(huán)3、碗托6是與絕緣陶瓷環(huán)2熱膨脹系數(shù)相近的金屬，為銅及銅合金、鋁及鋁合金、因瓦合金、321(1Cr18Ni9Ti)、304(0Cr18Ni9)、304L(00Cr19Ni10)、316(0Cr17Ni12Mo2)、316L(00Cr17Ni14Mo2)、430（1Cr17）、201（17Cr4.5Ni6）不銹鋼等當(dāng)中的一種或多種。

絕緣陶瓷環(huán)2和陶瓷墊片4兼具絕緣防腐和防止液態(tài)液封用鹽外溢的功能。該密封防腐絕緣裝置在中高溫電池工作時(shí)，金屬桿1、絕緣陶瓷環(huán)2和金屬外環(huán)3因膨脹系數(shù)相近及內(nèi)外徑差異設(shè)計(jì)的原因而同時(shí)發(fā)生相同趨勢(shì)尺寸變化，使該密封結(jié)構(gòu)件在溫度變化下仍具有優(yōu)秀的密封特性；液封用鹽5在一定溫度下自動(dòng)熔融而浸潤(rùn)鋪展在碗托6中，從而使電池殼體內(nèi)部的活性物質(zhì)無(wú)法穿越熔鹽而外溢。

將圖1所示實(shí)施例的耐腐蝕密封絕緣裝置進(jìn)行檢漏實(shí)驗(yàn)，使用島津MSE-2000R全自動(dòng)便攜式氦質(zhì)譜檢漏儀，依據(jù)“GB/T 13979-2008 質(zhì)譜檢漏儀”國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)罐體進(jìn)行檢漏測(cè)試。當(dāng)耐腐蝕密封絕緣裝置裝在一個(gè)罐體上端后，在罐體下端開孔抽氣，檢漏時(shí)對(duì)耐腐蝕密封絕緣裝置噴氦氣，下端的氦氣檢測(cè)裝置就能檢測(cè)到裝置是否密封。結(jié)果顯示，在25℃~700℃間開孔抽出來(lái)的氣體中未檢出氦氣，說(shuō)明本發(fā)明密封效果良好。