一種液態(tài)金屬電池裝置及其裝配方法
【專利摘要】一種液態(tài)金屬電池裝置及其裝配方法，該電池裝置包括金屬材質(zhì)的電池殼體，電池殼體內(nèi)從下到上依次設(shè)有正極材料、電解質(zhì)和電流收集器，且電解質(zhì)被設(shè)在電池殼體內(nèi)的金屬網(wǎng)孔分隔器分隔成上下兩部分；電流收集器包括設(shè)在電解質(zhì)上表面并浸入電解質(zhì)的吸附有負(fù)極材料的金屬多孔材料、設(shè)在金屬多孔材料上方的金屬孔板和設(shè)在金屬孔板上方的金屬電流引出桿；電池殼體的頂部中心開有孔，孔上設(shè)有密封絕緣陶瓷件，金屬電流引出桿的頂端伸出孔外，由密封絕緣陶瓷件將金屬電流引出桿的頂端與電池殼體緊固、密封并絕緣。該電池裝置能防止電池內(nèi)部短路，延長其運(yùn)行壽命，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、高效實(shí)用。其裝配方法簡單實(shí)用，易于工業(yè)化大生產(chǎn)。
【專利說明】一種液態(tài)金屬電池裝置及其裝配方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電化學(xué)儲(chǔ)能電池領(lǐng)域，具體涉及一種液態(tài)金屬電池裝置及其裝配方 法。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界的迅速發(fā)展，伴隨著大量能源的消耗，能源問題日益嚴(yán)峻，如何在有限的 資源下高效地利用好現(xiàn)有的能源產(chǎn)出已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。眾所周知，電力系統(tǒng) 中，電能的削峰填谷，新能源等間歇能源的高效利用并網(wǎng)發(fā)電都需要高效的儲(chǔ)能技術(shù)作為 支撐。大容量的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為化學(xué)儲(chǔ)能（如鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池等）、物 理儲(chǔ)能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等）和電磁儲(chǔ)能（如超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容器 等）三大類。其中化學(xué)儲(chǔ)能（電池技術(shù)）由于具有能量轉(zhuǎn)換效率高、對(duì)環(huán)境和空間要求低以 及成本相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為未來智能電網(wǎng)中大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的首選。目前幾種主流 的用于儲(chǔ)能的電池技術(shù)主要包括鉛酸電池、鈉硫電池、鋰離子電池和全釩液流電池等。其中 鉛酸電池的能量密度低，充放電速度慢，循環(huán)壽命短，且對(duì)環(huán)境污染大；鈉硫電池由于采用 β_氧化鋁固體電解質(zhì)，其制造成本高且熱穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生破裂而導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事 故；鋰離子電池的電流密度低且制造成本較高；液流電池也面臨著電解液、電極極板特別 是離子交換膜等關(guān)鍵材料的技術(shù)問題和儲(chǔ)能價(jià)格偏高的問題。這些都在一定程度上限制了 其在電網(wǎng)儲(chǔ)能方面的應(yīng)用，而另一種為電網(wǎng)儲(chǔ)能量身定做的，成本低廉、放電速率高、壽命 長并且非常安全的電池技術(shù)已經(jīng)誕生--液態(tài)金屬電池技術(shù)。
[0003] 2007年，用于大規(guī)模電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的"全液態(tài)金屬電池"概念由美國麻省理工學(xué)院 教授D. R. Sadoway提出。此全液態(tài)金屬電池在高溫下，兩電極均為液態(tài)金屬，電解質(zhì)為熔融 態(tài)無機(jī)鹽，電極與電解質(zhì)由于密度不同且互不混溶而自然分層，電解質(zhì)自然將兩液態(tài)金屬 電極隔開。然而，在一些電極體系中，如正極材料含金屬銻（Sb)等的電池在放電過程中負(fù)極 材料和正極材料發(fā)生合金化，生成高溫下的固態(tài)金屬間化合物，而隨著放電過程繼續(xù)進(jìn)行， 生成的金屬間化合物的成分隨之改變，從而在金屬間化合物內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使得金屬間 化合物層拱起，將正極和負(fù)極連接起來，造成電池內(nèi)部短路。（Bradwell D J，Kim H，Sirk A H C，et al. Magnesium - Antimony Liquid Metal Battery for Stationary Energy Storage[J]. Journal of the American Chemical Society,2012,134 (4):1895-1897.)


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種液態(tài)金屬電池裝置及其裝配方法，利用金屬網(wǎng)孔分隔 器設(shè)計(jì)來阻止液態(tài)金屬電池中正極材料和負(fù)極材料之間短路的發(fā)生，從而延長液態(tài)金屬電 池的運(yùn)行壽命?？梢杂行У胤乐闺姵貎?nèi)部短路，從而使電池獲得穩(wěn)定且高效的電化學(xué)性能。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -種液態(tài)金屬電池裝置，包括金屬材質(zhì)的電池殼體，電池殼體內(nèi)從下到上依次設(shè) 置有正極材料、電解質(zhì)和電流收集器，并且電解質(zhì)被設(shè)置在電池殼體內(nèi)的金屬網(wǎng)孔分隔器 分隔成上下兩部分；電流收集器包括吸附有負(fù)極材料的金屬多孔材料、固定在金屬多孔材 料上方的帶有若干通孔的金屬孔板、以及固定在金屬孔板上方的金屬電流引出桿；金屬多 孔材料的底部浸入在電解質(zhì)內(nèi)，電池殼體頂部的中心位置開設(shè)有孔，孔上設(shè)有密封絕緣陶 瓷件，金屬電流引出桿的頂端伸出孔外，并由密封絕緣陶瓷件將其緊固在電池殼體的上表 面上，且金屬電流引出桿的頂端和電池殼體的頂部通過密封絕緣陶瓷件密封并互相絕緣； 其中金屬電流引出桿的頂端為電池負(fù)極，電池殼體為電池正極；在電池運(yùn)行狀態(tài)下，正極 材料、電解質(zhì)和吸附在金屬多孔材料上的負(fù)極材料均呈液態(tài)，負(fù)極材料浸潤金屬多孔材料， 且正極材料的密度大于電解質(zhì)的密度，電解質(zhì)的密度大于負(fù)極材料的密度，正極材料、電解 質(zhì)、負(fù)極材料間互不相容。
[0007] 所述的正極材料為Al、Zn、Ga、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Ti、Pb、Bi中的一種或多種 的混合物；負(fù)極材料為Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba中的一種或多種的混合物；電解質(zhì)為 負(fù)極材料對(duì)應(yīng)的鹵族無機(jī)鹽中的一種或多種的混合物。
[0008] 所述的金屬網(wǎng)孔分隔器焊接在電池殼體內(nèi)，金屬網(wǎng)孔分隔器的材質(zhì)為不銹鋼或鈦 合金；金屬網(wǎng)孔分隔器包括金屬網(wǎng)孔支撐板、以及設(shè)置在金屬網(wǎng)孔支撐板上的金屬網(wǎng)；其 中金屬網(wǎng)孔支撐板的網(wǎng)孔孔徑為3?6mm，厚度為3?5mm ;金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔孔徑小于1mm，厚 度小于lmm〇
[0009] 所述的電解質(zhì)的整體厚度為1?3cm，電解質(zhì)被金屬網(wǎng)孔分隔器分隔成的上下兩 部分的厚度比為（1.5?2.5) :1。
[0010] 所述的金屬多孔材料的邊沿與電池殼體的側(cè)壁之間的距離為8?15mm。
[0011] 所述的金屬多孔材料的材質(zhì)為鎳、鋯、鈦或其合金，金屬多孔材料的平均孔隙直徑 小于1mm，孔隙率為70?85%。
[0012] 所述的密封絕緣陶瓷件的材質(zhì)為氧化鋁或氧化鋯。
[0013] 所述的電池殼體的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金，電池殼體的形狀為方形。
[0014] 所述的金屬孔板的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金；
[0015] 所述的金屬電流引出桿的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金，直徑為1?2cm。
[0016] 液態(tài)金屬電池裝置的裝配方法，包括以下步驟：
[0017] 1)電池殼體由帶孔的金屬上蓋、金屬管和金屬端蓋組成，將金屬網(wǎng)孔分隔器焊接 在金屬管內(nèi)，然后將金屬端蓋焊接在金屬管的底部，得到電池腔體；
[0018] 2)將金屬孔板固定在金屬多孔材料上，再將金屬電流引出桿固定在金屬孔板上， 組成電流收集器；然后在金屬上蓋的孔上裝設(shè)密封絕緣陶瓷件，通過密封絕緣陶瓷件將金 屬電流引出桿的頂部與金屬上蓋緊固連接；
[0019] 3)將負(fù)極材料加熱至熔化，利用電流收集器的金屬多孔材料與負(fù)極材料的浸潤 性，使電流收集器吸收液態(tài)的負(fù)極材料，吸收完成后冷卻，接著依次將正極材料和電解質(zhì)放 在電池腔體內(nèi)，電解質(zhì)被金屬網(wǎng)孔分隔器分隔成上下兩部分，然后向電池腔體內(nèi)充入惰性 氣體，再將與電流收集器緊固連接的金屬上蓋焊接在電池腔體上，升溫至運(yùn)行溫度得到全 充電電池；
[0020] 或者在室溫下，依次將正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)放在電池腔體內(nèi)，電解質(zhì)被金 屬網(wǎng)孔分隔器分隔成上下兩部分，然后向電池腔體內(nèi)充入惰性氣體，再將與電流收集器緊 固連接的電池上蓋焊接在電池腔體上，升溫至運(yùn)行溫度得到全放電電池。
[0021] 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果為：
[0022] 本發(fā)明提供的液態(tài)金屬電池裝置能夠明顯增強(qiáng)電池抵抗外界環(huán)境變化的能力，具 有很高的工作壽命，并且具有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，其結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、高效實(shí)用，利用 金屬網(wǎng)孔分隔器來阻止液態(tài)金屬電池中正極材料和負(fù)極材料之間短路的發(fā)生，從而延長液 態(tài)金屬電池的運(yùn)行壽命?？梢杂行У胤乐闺姵貎?nèi)部短路，從而使電池獲得穩(wěn)定且高效的電 化學(xué)性能。另外還具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0023] 1.液態(tài)金屬電池兩液態(tài)電極和熔融電解質(zhì)由于密度不同自動(dòng)分層，在放電過程中 負(fù)極材料和正極材料合金化，生成高溫下的固態(tài)金屬間化合物，而隨著放電過程繼續(xù)進(jìn)行 金屬間化合物內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力而使得金屬間化合物層拱起，將正極和負(fù)極連接起來，造成 電池內(nèi)部短路。本發(fā)明通過設(shè)置金屬網(wǎng)孔分隔器來抑制在正極區(qū)生成的固態(tài)合金向負(fù)極擴(kuò) 展，以達(dá)到避免電池過早失效的目的，這使得液態(tài)金屬電池有了更長的壽命和更加穩(wěn)定的 性能，使其真正適用于長期的靜態(tài)儲(chǔ)能應(yīng)用。
[0024] 2.本發(fā)明提供的液態(tài)金屬電池裝置，通過使用陶瓷與金屬的封接的技術(shù)，將密封 絕緣陶瓷件用于電池殼體和金屬電流引出桿之間的緊固、密封和絕緣，克服了高溫下材料 的腐蝕、密封和絕緣問題，能夠大大降低成本。
[0025] 3.本發(fā)明取消了傳統(tǒng)液態(tài)/半液態(tài)金屬電池裝置中在金屬筒殼體內(nèi)部涂覆絕緣 陶瓷層或加裝絕緣陶瓷管的設(shè)計(jì)，直接使用與液態(tài)的負(fù)極材料有著良好浸潤性的金屬多孔 材料來吸附負(fù)極材料，創(chuàng)造性地實(shí)現(xiàn)了負(fù)極與正極側(cè)壁的分隔，極大地降低了成本。
[0026] 本發(fā)明提供的液態(tài)金屬電池裝置的裝配方法，具有簡單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，能夠根據(jù)不 同情況裝配出全充電電池或全放電電池，利于工業(yè)化大生產(chǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為液態(tài)金屬電池裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖2為內(nèi)含金屬網(wǎng)孔分隔器的液態(tài)金屬電池單循環(huán)電壓曲線
[0029] 圖3為內(nèi)含金屬網(wǎng)孔分隔器的液態(tài)金屬電池循環(huán)性能曲線；
[0030] 其中，1為電池殼體，2為電解質(zhì)，3為正極材料，4為金屬多孔材料，5為金屬孔板， 6為密封絕緣陶瓷件，7為金屬電流引出桿，8為金屬網(wǎng)孔分隔器。

【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0032] 本發(fā)明提供的具有以下幾個(gè)重要改進(jìn)點(diǎn)：
[0033] 1.當(dāng)液態(tài)金屬電池的容量變得很大時(shí)，電池的設(shè)計(jì)是一個(gè)很關(guān)鍵的因素。液態(tài)金 屬電池包含的三種不同液體基于互相的不混溶性和密度的不同而自然分層，一層電負(fù)性較 低的液態(tài)金屬位于頂部，另一種液態(tài)金屬（或者液態(tài)金屬合金）位于底部，熔融鹽電解質(zhì)位 于兩者之間。擁有較低電負(fù)性的金屬層作為負(fù)極，較高電負(fù)性的金屬層作為正極。采用這 種設(shè)計(jì)的電池可以承受很高的電流密度但只引起微不足道的電荷轉(zhuǎn)移過電位，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡 單、容易組裝。然而在電池充放電循環(huán)的過程中，固相金屬間化合物會(huì)在電解質(zhì)和正極的界 面生成，固相金屬間化合物成分改變會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，在有些情況下固相金屬間化合物層 會(huì)拱起，穿過電解質(zhì)將正極和負(fù)極連接在一起，造成電池內(nèi)部短路，從而使得電池失效，縮 短電池運(yùn)行壽命。此前液態(tài)金屬電池的設(shè)計(jì)尚沒有有效的措施來阻止電池由于金屬間化合 物生成而導(dǎo)致的短路失效。而本發(fā)明在正負(fù)極之間的電解質(zhì)內(nèi)加裝金屬網(wǎng)孔分隔器，用于 限制固相金屬間化合物的變形，從而防止電池失效。金屬網(wǎng)孔分隔器既要滿足低成本、高強(qiáng) 度并且允許離子電荷快速傳輸?shù)臈l件，還不能因?yàn)楣滔嘟饘匍g化合物的生長而改變在電池 內(nèi)部的位置。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明提出的金屬網(wǎng)孔分隔器可以有效地防止電池內(nèi)部短路 的發(fā)生，從而使得電池獲得穩(wěn)定且高效的電化學(xué)性能，延長了電池的運(yùn)行壽命，這已經(jīng)被電 池穩(wěn)定的運(yùn)行性能證明。而且金屬網(wǎng)孔分隔器的設(shè)計(jì)廉價(jià)且易于實(shí)施，幾乎沒有附加成本。
[0034] 2.由于液態(tài)金屬電池在300?700°C運(yùn)行，與金屬封接的陶瓷塊和金屬材料必 須在不同溫度之間膨脹速率基本一致，否則封接結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)樘沾膳c金屬材料的膨脹速率 不一致而產(chǎn)生熱應(yīng)力，使得封接層開裂、失效。現(xiàn)行成熟的能與金屬封接的陶瓷材料主要 包括：氧化鋁瓷、氧化鈹瓷、氧化鎂瓷、氧化鋯瓷、鎂橄欖石瓷、滑石瓷、尖晶石瓷和莫來石 瓷等，金屬采用在具體電極和電解質(zhì)體系中抗腐蝕的金屬材料，如不銹鋼、鈦合金等。所 以，要實(shí)現(xiàn)抗負(fù)極材料腐蝕的氮化硼等陶瓷材料或涂層與金屬的封接，首先要找到一種具 有與其膨脹率匹配的金屬材料，這種技術(shù)實(shí)施難度極大，成本非常高（中國專利申請?zhí)枺?201310131587. 5)。而本發(fā)明涉及的用于絕緣密封的密封絕緣陶瓷件由于不與電極材料直 接接觸，不再需要嚴(yán)格抗負(fù)極材料腐蝕的氮化硼等昂貴的陶瓷材料或涂層，可采用現(xiàn)行技 術(shù)中最成熟、成本最低的氧化鋁、氧化鋯等陶瓷。另外，本發(fā)明涉及的密封絕緣陶瓷件的尺 寸非常小，且為簡單的圓筒形，最大尺寸在10?20mm之間，這使得密封絕緣陶瓷件本身的 材料成本非常小，且密封絕緣陶瓷件與金屬材質(zhì)的電池殼體的封接面面積也很小，使得本 發(fā)明提供的液態(tài)金屬電池裝置的成本非常低。
[0035] 3.用于吸附負(fù)極材料的金屬多孔材料的選取需要考慮以下幾點(diǎn)：1).需要在具體 電極和電解質(zhì)體系的運(yùn)行溫度下具有足夠的強(qiáng)度，高溫下不易變形；2).金屬多孔材料只 有在一定溫度以上才會(huì)和具體的液態(tài)負(fù)極材料有足夠的浸潤性，所以金屬多孔材料的選取 需要考慮到它和液態(tài)負(fù)極材料產(chǎn)生足夠浸潤性的溫度，這一臨界溫度必須低于電池的實(shí)際 運(yùn)行溫度，從而保證對(duì)負(fù)極材料的良好吸附性。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，金屬多孔材料可以選取的材料 有鎳、鋯、鈦及其合金。3).金屬多孔材料的孔隙越小，吸附性越強(qiáng)，但是吸附的液態(tài)負(fù)極材 料的量也越少，所以孔隙的大小也是一個(gè)影響吸附性的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)金屬多孔材料的 平均孔隙直徑大小在1_以內(nèi)，孔隙率在80%左右時(shí)吸附效果最好。
[0036] 4.由于液態(tài)負(fù)極材料在其相應(yīng)的鹵族熔融無機(jī)鹽電解質(zhì)中具有一定的溶解度，實(shí) 驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電流收集器的外周與電池殼體的側(cè)壁之間的距離小至5?7_時(shí)，吸附在與負(fù)極 材料有著良好浸潤性的金屬多孔材料中的負(fù)極材料會(huì)在電池運(yùn)行過程中形成漏電流的通 路，以純質(zhì)負(fù)極材料的形式形成細(xì)絲或細(xì)帶狀電流通路，將金屬多孔材料的外周和電池殼 體的側(cè)壁連接起來，這種形式的微短路會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致電池失效，即徹底短路。所以， 本發(fā)明的設(shè)計(jì)要求電流收集器的外周與電池殼體的側(cè)壁之間的距離大于8_，從而防止微 短路的出現(xiàn)。
[0037] 5.電池殼體為方形設(shè)計(jì)，節(jié)省空間，更加適合串并聯(lián)成組連接，且正極材料不易從 電池殼體的側(cè)壁上爬，能夠防止短路，保證電池有著理想的運(yùn)行壽命，使得單體電池能夠真 正成為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能模塊基元。
[0038] 經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在取消傳統(tǒng)液態(tài)金屬電池裝置中在金屬圓筒形殼體內(nèi)部涂覆的絕緣 陶瓷層或加裝的絕緣陶瓷管后，正極材料由于與金屬圓筒形殼體的側(cè)壁直接接觸，且與殼 體側(cè)壁具有一定的浸潤性，使得正極材料在電池運(yùn)行過程中會(huì)沿著殼體側(cè)壁上爬，而這部 分沿殼體側(cè)壁上爬的正極材料會(huì)在與吸附有負(fù)極材料的金屬多孔材料距離最近的地方增 強(qiáng)這種微短路形成過程，正極材料部分參與形成細(xì)絲或細(xì)帶狀電流通路將金屬多孔材料的 外周和殼體側(cè)壁連接起來。為了限制正極材料沿殼體側(cè)壁上爬以協(xié)助負(fù)極材料單質(zhì)從金屬 多孔材料中擴(kuò)散至殼體側(cè)壁，最終形成漏電流通路，造成電池微短路的現(xiàn)象，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)金 屬的電池殼體的形狀由圓形變?yōu)榉叫螘r(shí)，由于四個(gè)并不光滑過度的直角的存在，正極材料 由于張力的作用并不能在這些直角處順利地上爬，這四個(gè)直角像四個(gè)釘子一樣將向上攀爬 的正極材料釘扎在電池腔體的底部，從而很好的限制了正極材料上爬的現(xiàn)象出現(xiàn)。而且，明 顯地，方形的電池殼體的設(shè)計(jì)在橫向和縱向上比圓形的電池殼體設(shè)計(jì)更加有效地利用了空 間，并且更加利于堆垛和串并聯(lián)連接，這對(duì)于單體電池串并聯(lián)形成儲(chǔ)能模組奠定了基礎(chǔ)，使 得單體電池真正成為大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能模塊基元。
[0039] 參見圖1，本發(fā)明提供的液態(tài)金屬電池裝置包括方形的電池殼體1，金屬網(wǎng)孔分隔 器8,電流收集器，正極材料3,負(fù)極材料和電解質(zhì)2 ;
[0040] 電池殼體1內(nèi)從下到上依次設(shè)置有正極材料3、電解質(zhì)2和電流收集器，并且電解 質(zhì)2被設(shè)置在電池殼體1內(nèi)的金屬網(wǎng)孔分隔器8分隔成上下兩部分；
[0041] 由圖2所示，金屬網(wǎng)孔分隔器8的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金；金屬網(wǎng)孔分隔器8包括 金屬網(wǎng)孔支撐板、以及設(shè)置在金屬網(wǎng)孔支撐板上的金屬網(wǎng)；其中金屬網(wǎng)孔支撐板用于給金 屬網(wǎng)孔分隔器8提供物理強(qiáng)度，其網(wǎng)孔孔徑為3?6_，厚度為3?5_ ;金屬網(wǎng)用于防止不 均勻的固相在電池橫截面上生成，其網(wǎng)孔孔徑小于1mm，厚度小于1mm。
[0042] 電流收集器由帶有若干通孔的金屬孔板5、金屬多孔材料4、金屬電流引出桿7和 幾枚緊固螺栓組成；金屬多孔材料4位于電解質(zhì)2的上表面，并吸附有負(fù)極材料；金屬孔板 5通過緊固螺栓緊固在金屬多孔材料4的上方；金屬電流引出桿7固定在金屬孔板5上方 的中心位置。
[0043] 電池殼體1包括電池腔體，金屬上蓋和密封絕緣陶瓷件6。電池腔體由金屬方管和 位于底部的金屬方形端蓋沿焊接而成；金屬上蓋為在中心位置上具有一定尺寸（與密封絕 緣陶瓷件6配合，直徑大約10?20mm)圓孔的方形端蓋；電池腔體的上端與金屬上蓋對(duì)接， 對(duì)接由電池腔體的上沿和金屬上蓋的下沿利用焊接實(shí)現(xiàn)；金屬電流引出桿7的頂端伸出圓 孔外，利用密封絕緣陶瓷件6使得金屬上蓋的圓孔和金屬電流引出桿7的頂端密封、絕緣、 緊固連接。金屬電流引出桿7的頂端為電池負(fù)極，電池殼體1為電池正極。
[0044] 正極材料 3 為惰性金屬，如 Al、Zn、Ga、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Ti、Pb、Bi 等及其合 金；負(fù)極材料為活性金屬，如Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba等及其合金；電解質(zhì)2為相應(yīng) 的負(fù)極材料的鹵族無機(jī)鹽中的一種或多種的混合物。電解質(zhì)2的整體厚度為1?3cm，電解 質(zhì)2被金屬網(wǎng)孔分隔器8分隔成的上下兩部分的厚度比為（1.5?2.5) :1。
[0045] 正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)在電池運(yùn)行溫度下（300?700°C )都處于液態(tài)，由于 密度不同且不互溶，正極材料和負(fù)極材料被熔融態(tài)的電解質(zhì)隔開，正極材料位于底部，與電 池殼體的底部接觸，負(fù)極材料位于熔融態(tài)的電解質(zhì)上方,并浸潤電流收集器。
[0046] 金屬多孔材料4的邊沿與電池殼體1的側(cè)壁之間的距離為8?15mm。金屬多孔 材料4的材質(zhì)為鎳、鋯、鈦及其合金。金屬多孔材料4的平均孔隙直徑小于1mm，孔隙率為 70?85%。密封絕緣陶瓷件6的材質(zhì)為氧化鋁或氧化鋯。電池殼體1、金屬孔板5和金屬 電流引出桿7的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金，金屬電流引出桿7的直徑為1?2cm。
[0047] 本發(fā)明提供的液態(tài)金屬電池裝置的裝配方法，包括以下步驟：
[0048] 1)電池殼體1由帶孔的金屬上蓋、金屬方管和金屬方形端蓋組成，將金屬網(wǎng)孔分 隔器8焊接在金屬方管內(nèi)，然后將金屬方形端蓋焊接在金屬方管的底部，得到電池腔體；
[0049] 2)將金屬孔板5固定在金屬多孔材料4上，再將金屬電流引出桿7固定在金屬孔 板5上，組成電流收集器；然后在金屬上蓋的孔上裝設(shè)密封絕緣陶瓷件6,通過密封絕緣陶 瓷件6將金屬電流引出桿7的頂部與金屬上蓋緊固連接；
[0050] 3)將負(fù)極材料加熱至熔化，利用電流收集器的金屬多孔材料4與負(fù)極材料的良好 浸潤性，使電流收集器吸收液態(tài)的負(fù)極材料，吸收完成后冷卻，接著依次將正極材料3和電 解質(zhì)2放在電池腔體內(nèi)，電解質(zhì)2被金屬網(wǎng)孔分隔器8分隔成上下兩部分，然后向電池腔體 內(nèi)充入惰性氣體，再將與電流收集器緊固連接的金屬上蓋焊接在電池腔體上，這種裝配方 式稱為全充電裝配，以這種方式裝配的電池稱為全充電電池；
[0051] 或者在室溫下，依次將正極材料3、負(fù)極材料和電解質(zhì)2放在電池腔體內(nèi)，電解質(zhì) 2被金屬網(wǎng)孔分隔器8分隔成上下兩部分，然后向電池腔體內(nèi)充入惰性氣體，再將與電流收 集器緊固連接的電池上蓋焊接在電池腔體上，這種方式稱為全放電裝配，以這種方式裝配 的電池稱為全放電電池。
[0052] 為了驗(yàn)證本發(fā)明提供的液態(tài)金屬電池裝置的具體實(shí)用性能，使用此液態(tài)金屬電池 裝置組裝了一系列具有不同電極材料和電解質(zhì)的電池，并對(duì)其進(jìn)行了電化學(xué)測試，均取得 了很好的效果。以下選取其中一個(gè)實(shí)例來具體說明此液態(tài)金屬電池裝置的穩(wěn)定性和實(shí)用 性。
[0053] 將內(nèi)含金屬網(wǎng)孔分隔器的Li | | Sb-Pb電池組裝之后發(fā)現(xiàn)擁有很好的運(yùn)行性能。先 將金屬網(wǎng)焊接到金屬網(wǎng)孔支撐板上，得到金屬網(wǎng)孔分隔器，之后再將金屬網(wǎng)孔分隔器焊接 在電池殼體內(nèi)壁的一定高度上，再把正極銻鉛合金放入電池內(nèi)腔底部，接著加入電解質(zhì)，電 解質(zhì)被金屬網(wǎng)孔分隔器分為上下兩層，然后放入吸附有負(fù)極材料的電流收集器，最后充入 高純氬氣并將金屬上蓋焊接在電池腔體的頂部，完成液態(tài)金屬電池的制作后將其加熱到運(yùn) 行溫度。該液態(tài)金屬電池成功地在高電流密度下運(yùn)行，并有著非常好的性能。如圖3所示， 該液態(tài)金屬電池在接近超過180個(gè)循環(huán)時(shí)依然有著非常高的庫倫效率（99% )，較高的能量 效率（75% )和非常穩(wěn)定的放電容量。
[0054] 金屬網(wǎng)孔分隔器的設(shè)計(jì)已經(jīng)證明能夠有效地防止電池過早地失效，從而使得 電池獲得更好更穩(wěn)定的性能。這是一個(gè)廉價(jià)的、經(jīng)濟(jì)上完全可行的增加液態(tài)金屬電池 運(yùn)行壽命的方案。此網(wǎng)孔分隔器的設(shè)計(jì)也可以應(yīng)用在其他液態(tài)電池體系如Na| |Sb-Pb， Ca-Mg I I Sb-Pb，Mg I I Sb-Pb，和 Sr I I Pb-Sb 等。
【權(quán)利要求】
1. 一種液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：包括金屬材質(zhì)的電池殼體（1)，電池殼體（1) 內(nèi)從下到上依次設(shè)置有正極材料（3)、電解質(zhì)（2)和電流收集器，并且電解質(zhì)（2)被設(shè)置在 電池殼體（1)內(nèi)的金屬網(wǎng)孔分隔器（8)分隔成上下兩部分；電流收集器包括吸附有負(fù)極材 料的金屬多孔材料（4)、固定在金屬多孔材料（4)上方的帶有若干通孔的金屬孔板（5)、以 及固定在金屬孔板（5)上方的金屬電流引出桿（7);金屬多孔材料（4)的底部浸入在電解 質(zhì)（2)內(nèi)，電池殼體（1)頂部的中心位置開設(shè)有孔，孔上設(shè)有密封絕緣陶瓷件（6)，金屬電 流引出桿（7)的頂端伸出孔外，并由密封絕緣陶瓷件￠)將其緊固在電池殼體（1)的上表 面上，且金屬電流引出桿（7)的頂端和電池殼體（1)的頂部通過密封絕緣陶瓷件（6)密封 并互相絕緣；其中金屬電流引出桿（7)的頂端為電池負(fù)極，電池殼體（1)為電池正極；在電 池運(yùn)行狀態(tài)下，正極材料（3)、電解質(zhì)（2)和吸附在金屬多孔材料（4)上的負(fù)極材料均呈液 態(tài)，負(fù)極材料浸潤金屬多孔材料（4)，且正極材料（3)的密度大于電解質(zhì)（2)的密度，電解質(zhì) (2)的密度大于負(fù)極材料的密度，正極材料（3)、電解質(zhì)（2)、負(fù)極材料間互不相容。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的正極材料（3)為A1、 Zn、Ga、Cd、In、Sn、Sb、Te、Hg、Ti、Pb、Bi中的一種或多種的混合物；負(fù)極材料為Li、Na、K、 他、〇8、1\%、〇3、51'、1^中的一種或多種的混合物 ；電解質(zhì)（2)為負(fù)極材料對(duì)應(yīng)的鹵族無機(jī)鹽 中的一種或多種的混合物。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的金屬網(wǎng)孔分隔 器（8)焊接在電池殼體（1)內(nèi)，金屬網(wǎng)孔分隔器（8)的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金；金屬網(wǎng)孔分 隔器（8)包括金屬網(wǎng)孔支撐板、以及設(shè)置在金屬網(wǎng)孔支撐板上的金屬網(wǎng)；其中金屬網(wǎng)孔支 撐板的網(wǎng)孔孔徑為3?6_，厚度為3?5mm ;金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔孔徑小于1_，厚度小于1_。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的電解質(zhì)（2)的 整體厚度為1?3cm，電解質(zhì)（2)被金屬網(wǎng)孔分隔器（8)分隔成的上下兩部分的厚度比為 (1. 5 ?2. 5) :1。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的金屬多孔材料 (4)的邊沿與電池殼體（1)的側(cè)壁之間的距離為8?15mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的金屬多孔材料 (4)的材質(zhì)為鎳、鋯、鈦或其合金，金屬多孔材料（4)的平均孔隙直徑小于1mm，孔隙率為 70 ?85%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的密封絕緣陶瓷 件（6)的材質(zhì)為氧化鋁或氧化鋯。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的電池殼體（1)的 材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金，電池殼體（1)的形狀為方形。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液態(tài)金屬電池裝置，其特征在于：所述的金屬孔板（5)的 材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金； 所述的金屬電流引出桿（7)的材質(zhì)為不銹鋼或鈦合金，直徑為1?2cm。
10. 權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的液態(tài)金屬電池裝置的裝配方法，其特征在于，包括 以下步驟： 1)電池殼體⑴由帶孔的金屬上蓋、金屬管和金屬端蓋組成，將金屬網(wǎng)孔分隔器⑶焊 接在金屬管內(nèi)，然后將金屬端蓋焊接在金屬管的底部，得到電池腔體； 2) 將金屬孔板（5)固定在金屬多孔材料（4)上，再將金屬電流引出桿（7)固定在金屬 孔板（5)上，組成電流收集器；然后在金屬上蓋的孔上裝設(shè)密封絕緣陶瓷件（6)，通過密封 絕緣陶瓷件（6)將金屬電流引出桿（7)的頂部與金屬上蓋緊固連接； 3) 將負(fù)極材料加熱至熔化，利用電流收集器的金屬多孔材料（4)與負(fù)極材料的浸潤 性，使電流收集器吸收液態(tài)的負(fù)極材料，吸收完成后冷卻，接著依次將正極材料（3)和電解 質(zhì)⑵放在電池腔體內(nèi)，電解質(zhì)⑵被金屬網(wǎng)孔分隔器⑶分隔成上下兩部分，然后向電池 腔體內(nèi)充入惰性氣體，再將與電流收集器緊固連接的金屬上蓋焊接在電池腔體上，升溫至 運(yùn)行溫度得到全充電電池； 或者在室溫下，依次將正極材料（3)、負(fù)極材料和電解質(zhì)（2)放在電池腔體內(nèi)，電解質(zhì) (2)被金屬網(wǎng)孔分隔器（8)分隔成上下兩部分，然后向電池腔體內(nèi)充入惰性氣體，再將與電 流收集器緊固連接的電池上蓋焊接在電池腔體上，升溫至運(yùn)行溫度得到全放電電池。
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK104112865SQ201410350077
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】寧曉輝, 代濤, 楊烈, 單智偉 申請人:西安交通大學(xué)