[发明专利]改进的碱金属电池

说明书

本发明涉及一种碱金属电池，它包括一个外容器连同一个将容器内部分为阳极区和阴极区的固态电解质构件。阳极区包括一种熔融碱金属，最典型的是钠：阴极区包括一种同样是液态的合适的阴极反应剂，最典型的是硫及多硫化钠。

我们知道，这种碱金属电池，可以由位于外容器内形似杯状的固态电解质构件，以及包括在电解质杯中的碱金属阳极和包括在位于杯和外容器之间外部区域内的阳极反应剂来组成。外容器，最典型的是以金属制成，并形成一个阴极集电器。通过置于杯中的电子导电的集电构件，它可与留在杯中的任何碱金属保持接触以收集来自电解质杯中的碱金属阳极的电流，并穿过一个电解质杯的罩向外延伸，从而提供一个电流引出端。

这种碱金属电池的一个例子是以钠/硫电池的形式示于GB-A-2161017。

我们也已知道，为了改进碱金属电池的性能，可以在含有碱金属阳极的电解质杯内或管中装上一个与电解质管的内表面紧紧相邻的附加管状金属薄片。该管状薄片的制作可将一片弹簧薄片在其插入电解质杯状之前先卷成管而实现，该薄片的弹性则使之紧附在电解质的柱形内壁上。

这种内管状金属薄片的目的在于使得熔融碱金属能在最大范围内湿润电解质的内柱形表面。可以意识到，当电池放电时，在电解质杯或管内的碱金属（典型地，是钠）量减少，导致与碱金属直接接触的电解质表面积减少。从而导致在电池放电时，其内阻增加。然而，置于电解质杯或管中的管状金属薄片使得液体碱金属在薄片和管子的柱形内壁之间的狭窄缝中由于毛细管作用而被吸起，从而增加被湿润的电解质的表面积，使电池内阻保持为一低值。上述构造的一个例子已在GB-A-1461071中公开。

碱金属电池所使用的固体电解质通常由陶瓷材料制成，该材料虽然电绝缘，但是可以传导碱金属的阳离子。钠流电池通常所采用材料是β氧化铝（beta    alumina）。使用陶瓷电解质的这种电池所产生的另一个问题是电解质出现故障的可能性，如，破裂等，从而使得阳极和阴极材料直接接触并混合。任何这种直接混合均可导致强烈地放热反应，这种反应如果没有检查出，可以导致电池的温度升高，使得电池的外容器破裂。这反过来又可导致强烈腐蚀性的反应产物向包含多个电池单体的电池组空腔内渗漏。

尽管为制备具有很高的完整性的电解质构件而作了大量的努力，从而将电池出现损坏性故障的危险降到非常低的水平，但是，有些危险仍然存在，应努力极大地消除这种依然存在的灾祸性失效的危险。

作为一个例子，GB-A-1517287描述了一种钠硫电池，它在管状固体电解质的内侧安置有一个钼管作为钠储存器。钼管连同电解质管限定出一个薄芯区域钠受毛细管作用而流过这个薄芯区域。在钼管的另一封闭端有一个小孔，使得钠能从钠储存器进入薄芯区域，孔的尺寸允许钠的流速恰好适应所设计的电池放电和充电要求。然而，所有这些布置仍然在填充电池，尤其是填充阳极区和碱金属储存器方面，以及在关闭和密封阳极区及储存器方面存在一些问题。

参考GB2162680，其中碱金属电池的管形陶瓷电解质内有一个气密封的碱金属储存器，储存器的底部有些小孔，通过对储存器施加过压可使储存器内的碱金属在毛细管作用下充分润湿靠近储存器的电解质管的内侧。在结构上，储存器上部的填充管穿过与电解质管密闭的陶瓷的孔，并在填充管上实现气密封且成为电池阳极的集电器。

另外，从GB1519451中，可以看到通过填充管对储存器内施加过压的情况，其中电解质是杯形的，起到毛细管作用的部件是一种与电解质相接触的灯芯或线筛部件，也可以是与电解质保持一毛细空间的管形固体部件。

根据本发明，一种碱金属电池包括：一个外容器，一个位于该容器内并将容器分为在杯内的阳极区和在杯外的阴极区的固体电解质杯，以及一个装在靠近电解质杯内的碱金属储存器以提供一个活性区，从而限制碱金属直接暴露于电解质杯内表面的数量。储存器包括使碱金属能从储存器中流向活性区的流通装置，其特征在于：它具有一个封闭电解质杯开有一个小孔的电绝缘陶瓷罩及一种在制作过程中能对储存器内部施加过压的装置，该装置包括一个在储存器与陶瓷罩之间的气密封，从而通过罩上的小孔实现与储存器内部气密联系。通过实现与储存器内部的气密联系，更易于向电池内填充熔融碱金属。在向储存器填充熔融碱金属过程中，或填充完毕时，储存器内将产生一个过压，以迫使碱金属通过流通装置向电解质杯与储存器之间的活性区填充并充分润湿其表面。如果在储存器内没有这样一个过压，则活性区的表面，特别是固体电解质暴露的表面，就不容易被熔融碱金属润湿，从而阻止 从储存器中通过流通装置将碱金属吸出所需的理想的毛细管作用。