[发明专利]一种高温熔体电池装置及其制备工艺

说明书

本发明公开了一种高温熔体电池装置及其制备工艺，装置包括陶瓷封接负极柱、不锈钢负极集流体、不锈钢正极盖板、不锈钢正极壳体。陶瓷封接负极柱与正极盖板连接形成电池顶盖，其电极芯通过螺纹与负极集流体连接形成电池负极。电池顶盖与正极壳体紧密连接并形成密闭电池腔体。正极壳体内壁及底面分别通过物理镀膜形成致密的氧化物绝缘薄膜和碳化物导电薄膜。陶瓷封接负极柱由电极芯、不锈钢包覆层、绝缘陶瓷套管以及上、下过渡环组成，其下过渡环与电池壳体紧密焊接形成密闭电池腔体，其电极芯下端与负极集流体连接形成电池负极。该高温熔体电池装置解决了电池在高温环境下的耐腐蚀及密封问题，显著提高了电池的长期循环稳定性及工作寿命。

技术领域

本发明属于电化学储能电池领域，具体涉及一种高温熔体电池装置及其制备工艺。

背景技术

当前，我国正进入能源体制深化改革的关键时期，构建全球能源互联网的发展战略日渐清晰。未来全球能源互联网将是智能电网、特高压电网、清洁能源的广泛融合，这需要更多的新能源储存装置，电力潮流控制、分布式电网及微电网将实现普遍应用，而储能技术将是协调这些应用的关键一环。目前，常用的电网级储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、超级电容储能、超导储能、飞轮储能以及各类电池储能。其中，电池储能以其能量转换效率高、系统规模配置灵活、不受地理环境限制、成本相对较低等优点成为分布式电网及微电网首选的储能方式。然而，在已经实现应用的各类电池储能技术中，铅碳电池使用寿命短且对环境污染较大；钠硫电池会因β-Al₂O₃电解质隔膜破裂而导致严重安全事故；液流电池在离子交换膜等关键材料方面有待突破；锂离子电池的生产成本仍然较高，其性能也需进一步提高。上述问题限制了电网储能技术的发展，是阻碍其实现商业化的主要因素之一。

在储能电池技术亟待突破的背景之下，2007年美国麻省理工学院的D.R.Sadoway教授提出了可用于电网级规模储能的“液态金属电池”新概念。这种电池通常在高温工作，其正负电极为液态金属，电解质为无机液态或半液态熔盐。正极、电解质、负极材料互不相溶，且因密度差异由下至上分为三层。工作时，电池通过负极金属与正极金属形成正极合金而放电；相应地，通过正极合金的重新电解为负极金属和正极金属而充电。与传统储能电池相比，液态金属电池具有材料成本低廉、制造工艺简单、可高倍率充放电等优点，在电网储能领域的应用前景十分广阔。

目前液态金属电池面临的突出问题是缺乏针对高温环境的有效的绝缘密封方法及耐腐蚀措施(Kim H,Boysen D A,Newhouse J M,et al.Liquid Metal Batteries-Past,Present,and Future[J].Chemical Reviews,2013,113:2075-2099)。

首先，液态金属电池的负极材料和电解质材料化学性质非常活泼，在300℃～700℃的工作温度下电池材料一旦与空气中的水、氧、氮等接触会在短时间内变质失效从而造成电池性能劣化。目前液态金属电池通用的绝缘密封方法是将电池的绝缘密封点引出加热区，在接近室温的条件下通过常规密封材料(如硅橡胶、环氧树脂等)实现电池负极杆与正极壳体之间的绝缘与密封。这样做一方面增加了电池的体积、材料成本及制作成本。另一方面，由于必须将绝缘密封点伸出加热区，常温密封结构在电池成组时只允许单层的电池布局，这样就不能有效利用高度空间，显著增大了电池组的占地面积。同时，环氧树脂等密封胶通常需要较长的固化时间，这增加了电池的制作周期，不利于规模化生产。