[发明专利]电解质元件和结合有电解质元件的电池

说明书

电解质元件(10)包括非反应性金属例如含铝的铁素体钢的穿孔片(11)，和通过多孔陶瓷亚层(16a)结合到穿孔片(11)的一个面的钠离子传导陶瓷的不可渗透陶瓷层(16b)。穿孔片(11)的厚度可在50μm至500μm的范围内，并且不可渗透陶瓷层(16b)的厚度可不大于50μm，例如20μm或10μm。因此，由陶瓷的不可渗透薄层(16b)提供电解质性质，而由穿孔片(11)提供机械强度。电解质元件(10)可用于可再充电的熔融钠‑金属卤化物电池，特别是钠/氯化镍电池(20)。这使具有提高的功率密度的电池成为可能。

技术领域

本发明涉及电解质元件，制造电解质元件的方法，以及结合有电解质元件的电池。本发明还涉及由这些电池形成的电池组。

背景技术

本发明例如涉及熔融钠-金属卤化物可再充电电池组，例如可称为ZEBRA电池的钠/氯化镍电池(参见例如J.L.Sudworth,“The Sodium/Nickel Chloride(ZEBRA)Battery”(J.Power Sources 100(2001)149-163)。钠/氯化镍电池结合有液态钠负极，该液态钠负极通过传导钠离子的固体电解质与正极隔开。固体电解质可例如由β氧化铝组成。正极包括镍、氯化镍和氯铝酸钠，其在使用期间为液态，并充当二次电解质，以允许钠离子从氯化镍传输到固体电解质。正极还结合有铝粉。电池的工作温度通常低于350℃，但必须高于氯铝酸钠的熔点157℃，且工作温度通常在270℃和300℃之间。在放电期间，正常反应如下：

阴极(正极)：NiCl₂+2Na⁺+2e^-→Ni+2NaCl

阳极(负极)：Na→Na⁺+e^-

总的结果是无水氯化镍(在阴极中)与金属钠(在阳极中)反应产生氯化钠和镍金属，电池电压在300℃为2.58V。电池通常在其经完全放电状态组装，即，将与氯化钠混合的镍粉用于阴极，并通过给电池充电产生钠金属和氯化镍。阴极组合物还可结合有硫化铁，硫化铁提供硫，硫在重复的充电和放电循环期间抑制镍的粒度变化，并且铁提高电池性能，特别是对于电池放电结束和在电流脉冲期间。这样的电池通常利用β氧化铝的陶瓷管作为电解质，它可以为圆筒形管，或者可以为具有旋绕表面的管。

与其它电池组技术相比，这种类型的电池具有重大的理论优势，尤其是没有竞争性副反应，因此可有100％充电效率；没有自放电；电池在充电状态可自调节，从而防止过充电故障；如果串联连接电池组中的电池故障，则故障的电池将具有与无损伤的电池相当的电阻，因此该串联可继续工作；并且制造电池的材料便宜。然而，迄今为止，ZEBRA电池已用壁厚至少1mm的钠离子传导陶瓷管作为电解质，因此，该电池必须在高于约270℃的温度工作，以确保电解质有足够的钠离子传导率。电解质的厚度还意味着从环境起的典型启动时间按小时度量，以确保电解质不破裂。高工作温度和缓慢启动时间使这种类型的电池组限于某些利基应用。然而，未支撑的较薄电解质层的强度不足以承受制造、组装和工作期间的应力。

发明内容

因此，本发明提供一种电解质元件，该电解质元件包括：非反应性金属的穿孔片；和结合到穿孔片的一个面的钠离子传导陶瓷的不可渗透层。

因此，在这种电解质元件中，可由金属片提供强度，这使电解质的厚度与常规ZEBRA电池中所要求的厚度相比能够显著减小。这使电池或电池组可在明显更低的温度(例如低于200℃)充分工作。另外，明显较薄的陶瓷层还显著降低从环境加热所引起的应力，因此从环境的启动时间可能只有几分钟。这些都是商业上有利的益处。

在第二方面，本发明提供一种制造电解质元件的方法，所述方法包括：形成非反应性金属的穿孔片；并通过在高于650℃且通常高于700℃的温度烧结陶瓷的前体，形成结合到穿孔片的一个面的钠离子传导陶瓷的不可渗透层，。