技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電池技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多管式鈉硫電池。

背景技術(shù)：

以金屬鈉為負極、單質(zhì)硫為正極的一種電池是當今動力電池行業(yè)的一個重要發(fā)展方向，典型的鈉硫電池設(shè)計為管式結(jié)構(gòu)，其管壁采用固體電解質(zhì)陶瓷材料。鈉硫電池具有許多特色之處：與現(xiàn)有鋰離子電池相比，一是比能量高。其理論比能量為760Wh/Kg，實際產(chǎn)品已大于300Wh/Kg；二是可大電流充放電，其放電電流密度一般可達200-300mA/cm2，并瞬時間可放出其3倍的固有能量；再一個是充放電效率高。由于采用beta-氧化鋁玻璃陶瓷材料做固體電解質(zhì)兼隔膜，所以沒有通常采用液體電解質(zhì)和有機高分子多孔隔膜的二次電池那種自放電及“穿梭效應(yīng)”，充放電電流效率幾乎100%。

但鈉硫電池也有嚴重不足之處，其陶瓷管易破裂，造成熔融態(tài)的負極金屬鈉與正負極活性物硫大量接觸，引起劇烈化學(xué)反應(yīng)而燃燒。這種嚴重安全隱患制約著該種電池在電動車等移動設(shè)備上的應(yīng)用。另外，其工作溫度在300-350℃，導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)材料易老化 ，制造成本亦較高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

基于現(xiàn)有鈉硫電池技術(shù)存在的不足之處，本發(fā)明提供一種多管式鈉硫電池，通過使用復(fù)合負極管以解決傳統(tǒng)鈉硫電池陶瓷管易破裂的安全隱患問題，并通過在復(fù)合負極管多孔金屬層吸附離子液體的方法，改善熔融金屬鈉與固體電解質(zhì)界面相容性，從而達到降低電池工作溫度的目的。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種多管式鈉硫電池，包括正極、正極外殼、負極和負極外殼，所述正極為含有活性硫的正極S/C復(fù)合活性物質(zhì)，所述負極為含有鈉金屬負極活性物質(zhì)，所述負極通過陣列排布的若干個復(fù)合負極管延伸至正極中，若干個復(fù)合負極管共負極布置，所述復(fù)合負極管包括內(nèi)層的多孔金屬層及附著在外層的由多孔金屬層支撐的固體電解質(zhì)層，該多孔金屬層與負極外殼相連，共同作為負極集電極，所述正極外殼與正極中的碳材料相接觸共同構(gòu)成正極集電極。

所述正極與負極之間設(shè)置有絕緣環(huán)，該絕緣環(huán)與固體電解質(zhì)層連接。

所述多孔金屬層中吸附有離子液體。

所述多孔金屬層的厚度為0.2～1.5mm。

所述多孔金屬層中多孔金屬平均孔徑為0.1～5um，孔隙率為50～80%。

所述固體電解質(zhì)層的厚度為0.015～0.060mm。

由以上技術(shù)方案可知，本發(fā)明將復(fù)合負極管應(yīng)用到鈉硫電池中以解決陶瓷管易破裂的安全隱患；通過在多孔金屬層中吸附離子液體的設(shè)計降低了管式鈉硫電池工作溫度，從而延長電池壽命和降低制造成本；同時進一步改進了電池結(jié)構(gòu)，采取用多個復(fù)合負極管陣列排布及正負極活性物質(zhì)空間隔離措施，達到提高電池功率密度和電池安全性的目的，并以此構(gòu)成了鈉硫電池全新的技術(shù)路線和實用的技術(shù)方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明多管式鈉硫電池的縱向剖視圖，并示出了絕緣環(huán)所在區(qū)域的局部放大圖；

圖2為本發(fā)明中復(fù)合負極管的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明固體電解質(zhì)層出現(xiàn)破裂點時自動堵塞形成機理示意圖。

圖中：1、正極，2、正極外殼，3、負極，4、負極外殼，5、復(fù)合負極管，51、多孔金屬層，52、固體電解質(zhì)層，6、絕緣環(huán)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一種優(yōu)選實施方式作詳細的說明。

如圖1所示，所述鈉硫電池包括正極1、正極外殼2、負極3、負極外殼4，以及具有電解質(zhì)和隔膜功能的復(fù)合負極管5，所述負極通過陣列排布的多個復(fù)合負極管延伸至正極中，多只復(fù)合負極管共負極集成化設(shè)計組裝，可以提高單體電池能量密度和效率。

所述正極1為含有活性硫的S/C復(fù)合活性物，所述負極3包括鈉金屬負極活性物質(zhì)。

所述負極通過復(fù)合負極管延伸至正極中，增大接觸面積，提高放電效率。所述復(fù)合負極管的內(nèi)徑r為1～4mm，外徑R為1.43～7.12mm，復(fù)合負極長度為10～300mm。復(fù)合負極管較小的內(nèi)腔直徑，避免了負極熔融金屬鈉活性物與正極活性物硫大量接觸的可能性，顯著提高了電池的安全性。

如圖2所示，所述復(fù)合負極管5包括多孔金屬層51和固體電解質(zhì)層52，其中固體電解質(zhì)層附著在多孔金屬層外層，該多孔金屬層起到支撐作用。在由多孔金屬層構(gòu)成的支撐體表面復(fù)合導(dǎo)電的固體電解質(zhì)層，具有力學(xué)強度高，不易破裂、斷裂，抗震性強的特點。多孔金屬層51與負極外殼4相連，共同作為負極集電極，增加了電子電導(dǎo)，正極外殼4與正極中的碳材料接觸，共同構(gòu)成正極集電極。正極與負極之間還設(shè)置有絕緣環(huán)6，該絕緣環(huán)與固體電解質(zhì)層連接，起到正負極絕緣作用，同時耐高溫，優(yōu)選為Ai2O3(氧化鋁)陶瓷環(huán)，其強度較大。

多孔金屬層51的厚度為0.2～1.5mm，以不銹鋼、鈦、鎳、青銅、鎳合金、鈦合金中的一種金屬粉末與粘合劑、造孔劑、助燒劑混合制成形胚，形胚燒制后經(jīng)化學(xué)洗滌而成，多孔金屬層中孔徑在0.1～1um，孔隙率為50～80%。所述固體電解質(zhì)層52的厚度為0.015～0.060mm，較薄的導(dǎo)電固體電解質(zhì)陶瓷膜提高了離子的電導(dǎo)，以離子電導(dǎo)率高的固體電解質(zhì)為材料，采用溶膠—凝膠法或采用懸浮粒子法涂膜燒結(jié)而成。本實施例中固體電解質(zhì)層采用無機材料，如陶瓷，有機材料的固體電解質(zhì)不耐高溫，不適用于本方案。

如圖2所示，本發(fā)明將固體電解質(zhì)層52設(shè)置在多孔金屬層51外層，共同構(gòu)成一個管式結(jié)構(gòu)，內(nèi)部形成一個裝填負極活性物熔融鈉的管腔53，在多孔金屬層的支撐下固體電解質(zhì)層可以制成較薄的致密膜層，且易于封裝熔融的負極鈉，且外表面面積大，導(dǎo)電效率高。其次是考慮負極鈉易腐蝕固體電解質(zhì)，正極硫易腐蝕金屬，這樣內(nèi)外層的設(shè)計安排可以避免相互直接接觸。

多孔金屬層51的孔隙中還吸附有一種離子液體，該離子液體耐高溫（＞450℃），能快速傳導(dǎo)鈉離子，且在電池工作溫度范圍呈液態(tài)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。鈉的熔點97℃，鈉對電解質(zhì)陶瓷管的濕潤溫度280℃，所以傳統(tǒng)鈉硫電池正常工作溫度必須超過280℃。然而過高的溫度加速了電池材料的老化，降低了電池的壽命。本發(fā)明的復(fù)合負極管結(jié)構(gòu)有效的解決了該技術(shù)難題，多孔金屬作為無機固體電解質(zhì)的支撐體，顯著增強管體力學(xué)強度的同時，可吸附填充一種離子液體，離子液體具有表面活性功能，與無機固體電解質(zhì)表面有很好的相容性，同時可顯著降低熔融金屬鈉的表面張力，有效改善了熔融金屬鈉與無機固體電解質(zhì)界面相容性，從而降低界面電阻，使電池可以在較低的溫度下工作。本實施例中鈉硫電池工作溫度250~300℃

本實施例中，鈉硫電池離子液體優(yōu)選NaAlCl4。

如圖3所示，固體電解質(zhì)層52及多孔金屬層51構(gòu)成的膜層只通過Na+，其他任何物質(zhì)包括電子不通過，如果固體電解質(zhì)層因電池震動、碰撞等因素使其崩裂，復(fù)合負極管具有自愈合功能。自愈合功能的原理如下：

熔融金屬鈉具有較大的表面張力，熔融硫具有較大的粘度，當固體電解質(zhì)層崩裂時，熔融的鈉、硫在多孔金屬層的阻滯下從多孔金屬層兩側(cè)緩慢進入多孔金屬層孔隙，并在孔隙中迅速生成硫化鈉固體顆粒，直到硫化鈉固體顆粒完全填滿多孔金屬層孔隙而形成阻塞為止，在局部阻塞下該負極仍然可維持工作，事故不會進一步蔓延。自行修復(fù)功能，從源頭上解決了安全問題，使電池安全性能有了本質(zhì)上提升。

以上所述實施方式僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護范圍內(nèi)。