[发明专利]碱性金属开关装置

说明书

本发明涉及碱性金属开关装置。

碱性金属电化学电池已经周知，目前人们特别进行了大量研究和开发的一种是钠/硫电池。在这种电池中，采用钠金属作为电池的阳极，采用硫/多硫化钠作为电池的阴极。电池工作在阳极和阴极材料均为液态时所需的温度，阳极和阴极靠一种由可传导钠阳离子的电绝缘材料构成的固体电解质部件隔开。一种典型的电解质材料是β氧化铝。在一个完全充了电的电池里，阴极材料基本上都是硫。当电池放电时，钠阳离子发生迁移，通过该电解质与钠产生化学反应，形成多硫化钠，直到所有的钠基本上已从阳极区域迁移，或基本上所有的硫已经起反应形成一种最低态多硫化钠时，该电池呈完全放电状态。在该电池重新充电过程中，钠从多硫化钠中分离，通过电解质迁移回阳极区。

为了达到所需的总存储容量和所需的输出电压，要将钠硫电池连接成电池网络。如果需要用电池组中几串串联连接的电池提供所需的输出电压的话，一般在实践中是再将相应的不同串的电池並联连接起来，最好在每串等电位的相应电池之间直接进行並联连接。由于全充或全放时，单个电池有可能使电路开路（或由于某种损坏），因而更需要上述那种电池组中各电池的串/並联。如果只是在串联连接的电池长串的末端进行並联连接，那么该串电池中某个电池开路时，就会使这一整串电池与电池组中其余的电池断开。

然而，当一个电池发生短路故障时，不同串电池进行多重並联连接会使整个电池组变得更易损坏，在该组中所有与之並联连接的电池可能经该故障电池放电。结果，实际上目前使用电池组的结构是将几个电池串联成串，再把这些电池串並联连接。完整的电池组是由若干这种並联连接的电池串串联连接构成的。

美国专利US-A-4414297公开了一种分流元件，该元件可以与电池组里串联连接的一串电池中某个电池並联连接。当与该元件並联连接的单个电池上具有正常工作电压时，这个分流元件是开路的。可是一旦该电池发生故障，失去了其本来具有的输出电压，变成一个相当高的电阻，放电电流连续流过损坏的电池，致使在故障电池上产生一个反向电位差，随着这一反向电位差的出现，该分流装置变成短路状态，从而在该损坏电池的附近提供了一个旁路。

这种分流装置由两个含有液态碱金属並用一种可传导阳离子的电绝缘隔层隔开的两个区域组成。第一区有两个电流收集器，其中一个收集器始终与该区内含有的碱金属保持接触，而另一个则只有当碱金属到达该区中的预定液面时，才与碱金属相接触。第二区具有一个始终与该区中的碱金属相接触的电流收集器。第二区里的电流收集器与第一区中一般不与该区中的碱金属接触的那个电流收集器直接相连接，在第一区中始终与该区碱金属接触的那个电流收集器与要並联的电池正极直接连接，而将其他两个电流收集器连接到该电池的负极。因此，当这个电池工作时，在两个区域里的碱金属之间产生一个正电位，势必将碱金属排进第二区。在由于这个电池故障导致极性相反的情况下，碱金属会从第二区被排进第一区，直到第一区里的金属液面达到使该金属与第一区中第二个电流收集器相接触时为止。这样就在第一区里通过碱金属产生一个短路通路，即对有故障的电池产生分路。

应该看到，对于上述已有技术的分流器件，一旦在第一区中的碱金属液面已经升高到能与该区中第二个电流收集器相接触后，该器件则除了运载绕过故障电池分流的旁路电流外基本上不起作用了。这是由于在第二区里的电流收集器和第一区里的第二个电流收集器是直接连接在一起的，因此，一旦碱金属到达第一区中第二个电流收集器液面时，在这两层中的碱金属之间就不会产生电位差。结果可看出，上述分流器件只有当从开路状态不可逆地变为短路状态时才起到分流器件的作用。

另一个参考文献GB-A-1516638描述了一种钠硫电池，该电池在阳极区具有一个附加的电流收集器，並且通过一个电阻与阴极区电流收集器相连接。这个阳极区里的附加电流收集器只有当阳极区里的碱金属到达相应于电池充电的最大水准的液面时，才与该区的碱金属接触，从而造成一个旁路，使以后充电电流通过上述电阻流过。这种连接法可以确保串联在一起的一个电池串中的所有电池能达到最大充电值。