一种用于液态金属电池的密封绝缘电极及其制备方法技术

本发明专利技术属于储能电池设备领域，具体涉及一种液态金属电池的密封绝缘电极，包括电极芯、从上至下依次套设的上过渡环、绝缘套管、下过渡环和电池盖板，上过渡环的下端口和下过渡环的上端口均为阶梯状，绝缘套管上端和下端分别与上过渡环和下过渡环的阶梯部分相配合，上过渡环的上端口与电极芯的直径相配合且与电极芯密封连接，下过渡环的下端口的外径与正极盖板中心孔的内径相配合且二者密封连接，上过渡环和下过渡环外部的阶梯处均为圆弧过渡。本发明专利技术还提出了上述密封绝缘电极的制备方法。本发明专利技术通过在电极结构和原料上的改进，能够长时间保证电池的密封性和绝缘性能，同时能够减少电池的尺寸，提高电池的空间利用率，保证电池质量的一致性。

【技术实现步骤摘要】
一种用于液态金属电池的密封绝缘电极及其制备方法
本专利技术属于储能电池设备领域，更具体地，涉及一种液态金属电池的密封绝缘电极及其制备方法。
技术介绍
液态金属电池是近年来迅速发展的一种新型的储能电池，由300～700°C下自动分层的熔融态正极、电解质、负极组成，具有结构简单、成本低廉、大电流特性好、使用寿命长等突出优点，近年来在规模储能领域得到了广泛关注。由于液态金属电池一般在300～700℃的高温下运行，而且其内部液态的活性物质如电解质盐、锂等都具有一定的蒸气压，因此电池正极和负极间的绝缘密封结构设计就显得极为重要。常温中我们采用的橡胶密封等封装结构承受不住液态金属电池的工作温度。而高温下的普通金属间的焊接不能够实现良好的绝缘性。一般的紧配合又很难实现良好的密封。因此，液态金属电池的绝缘密封设计是目前困扰液态金属电池产业化的一个关键技术。现有稳定的密封技术主要集中在将液态金属电池的密封部分引出高温环境进行室温密封，这种密封最大的问题是容易造成密封结构尺寸过大，空间利用率极差，而且密封成本也非常高。除此之外，目前有报道的陶瓷封接电极用于液态金属电池的密封，经实验验证，存在成品率低的问题。经过多方查询资料探讨密封失败原因，我们认为，造成封接电极密封失败的一个重要原因是银铜焊料在焊接过程中控制不利，焊接面积有限，容易出现薄弱环节。在苛刻的运行环境中，薄弱环节往往容易造成热应力的集中，进而密封失败。由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种密封结构，使其能够满足液态金属电池的密封绝缘需要。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种用于液态金属电池的密封绝缘电极及其制备方法，通过阶梯结构增大陶瓷金属化面积及与4J33陶瓷封接合金材料、4J34陶瓷封接合金的焊接面积；对下过渡环增加圆弧过渡的设计以控制焊料的流动范围，增加对焊接的可控性；通过从选材、工艺、结构等方面的改进，使液态金属电池具有更高的可靠性，能够有效地延长保证电池的密封性和绝缘性能，同时能够减少电池的尺寸，提高电池的空间利用率，降低液态金属电池的时间成本以及次品率。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种用于液态金属电池的密封绝缘电极，其特征在于，包括电极芯、从上至下依次套设在电极芯上的上过渡环、绝缘套管、下过渡环和电池盖板，所述上过渡环的下端口和下过渡环的上端口的均为阶梯状，所述绝缘套管上端和下端分别与上过渡环和下过渡环内部的阶梯部分相配合，所述绝缘套管的内径略大于电极芯的直径，所述上过渡环的上端口与电极芯的直径相配合且与电极芯密封连接，所述下过渡环的下端口的外径与正极盖板中心孔的内径相配合且二者密封连接，所述上过渡环和下过渡环外部的阶梯处均为圆弧过渡。所述上过渡环的下端口和下过渡环的上端口均为阶梯状，所述绝缘套管上端和下端分别与上过渡环和下过渡环内部的阶梯部分相配合，这三者的阶梯状设计均是为了提高绝缘结构与过渡环之间焊料的接触面积，增大焊接强度并通过材料受热时的延展性减小焊接口的热应力。所述下过渡环内部的阶梯处为圆弧过渡的设计目的是控制焊料流动范围，增加对焊接的可控性。下过渡环的下端预留一定高度而不是直接焊接到电池盖板上，是为了通过4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接合金等金属材料受热时的延展性减小焊接口的热应力；电极芯上端焊接处的中空结构设计，也是为了通过电极芯的薄壁金属延展性对焊接口的热应力起到一定的缓冲作用。进一步优选地，所述绝缘套管为氧化铝基陶瓷、氮化铝基陶瓷或石英玻璃表面包覆金属制成，所述上过渡环和下过渡环采用4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接合金材料制备，所述上过渡环和下过渡环与表面包覆金属连接；所述电极芯采用不锈钢、无氧铜或者4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接合金材料制备，所述电池盖板采用不锈钢材料制备。优选地，所述电极芯为无氧铜材料时，其表面采用不锈钢管进行包覆并形成紧配合，所述上过渡环与不锈钢管紧密连接；所述电极芯采用不锈钢、4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接合金材料制备时，所述上过渡环直接与电极芯连接。较多的比较试验表明，所采用的全部组件均为耐高温、耐腐蚀的陶瓷、4J33陶瓷封接材料、4J34陶瓷封接合金材料、不锈钢或者被不锈钢保护起来的无氧铜等材料，能够在高温下长期抵御电池运行环境中的各种物理应力、化学腐蚀和氧化，延长电池的使用寿命，保证良好的密封绝缘效果。优选地，所述绝缘套管与上过渡环、下过渡环以及电极芯连接时采用钎焊的焊接方式进行焊接，所述电池盖板的内环和下过渡环采用氩弧焊、激光焊接或钎焊方式焊接优选地，上过渡环和下过渡环内部在阶梯内凹部分留有倒角用于放置焊料。上述焊接方法工艺成熟且焊接效果好，采用上述焊料能够有效地抵抗高温蒸汽的腐蚀，能够在高温环境下保持长期稳定的密封绝缘效果。配合上下过渡环内的倒角部分，能够有效的控制焊料的流动范围，保证接触面的有效焊接。优选地，所述上过渡环、下过渡环和绝缘套管的阶梯的数量范围为0～5，所述绝缘套管上的阶梯数量少于或等于对应的上过渡环和下过渡环的阶梯数量，所述电极芯的上部为中空结构，电极芯下表面距下过渡环的下表面的距离取决于电池负极集流体的位置高低。优选地，上过渡环和下过渡环内部在阶梯内凹部分留有倒角用于放置焊料。按照本专利技术的另一方面，提供了一种如上所述的用于液态金属电池的密封绝缘电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.制备出合适规格的上过渡环、绝缘套管、下过渡环、电极芯和电池盖板；S2.将电池盖板的内孔与下过渡环进行定位后焊接，使下过渡环与电池盖板同轴，下过渡环下表面与电池盖板上表面之间的距离根据需要确定；S3.按照下过渡环、绝缘套管、上过渡环从下到上依次进行组装，所有元器件均保持同轴状态；电极芯贯穿上过渡环、绝缘套环和下过渡环；S4.在组装好的各个部件之间的接触面均缠上焊丝，在所述上过渡环和下过渡环阶梯内凹部分的倒角部位也缠上焊丝；S5.将缠好焊丝的组件放到高温炉中加热，直至焊料熔融并沿各个接触面渗透均匀，然后降温使焊料冷却固化完成焊接，由此制得密封绝缘电极。优选地，所述绝缘套管为氧化铝基陶瓷、氮化铝基陶瓷或石英玻璃表面包覆金属制成，所述上过渡环和下过渡环采用4J33陶瓷封接合金材料、或4J34陶瓷封接合金材料制备，所述电极芯采用不锈钢、无氧铜、4J33陶瓷封接合金材料、或4J34陶瓷封接合金材料制备，所述电池盖板采用不锈钢材料制备。较多的比较试验表明，所采用的全部组件均为耐高温、耐腐蚀的陶瓷、4J33陶瓷封接材料、4J34陶瓷封接合金材料、不锈钢或者被不锈钢保护起来的无氧铜等材料，能够在高温下长期抵御电池运行环境中的各种物理应力、化学腐蚀和氧化。优选地，所述电池盖板的与下过渡环焊接时采用氩弧焊、激光焊接或钎焊，所述绝缘套管分别与上过渡环、下过渡环以及电极芯连接时采用氩弧焊、激光焊接或钎焊焊接。采用上述焊料能够有效地抵抗高温蒸汽的腐蚀，能够在高温环境下保持长期稳定的密封绝缘效果。配合上下过渡环内的倒角部分，能够有效的控制焊料的流动范围，保证接触面的有效焊接。优选地，电极芯的下表面距下过渡环的下表面的距离取决于电池负极集流体的位置高低。从而利用4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于液态金属电池的密封绝缘电极，其特征在于，包括电极芯(4)、从上至下依次套设在电极芯(4)上的上过渡环(1)、绝缘套管(2)、下过渡环(3)和电池盖板(5)，所述上过渡环(1)的下端口和下过渡环(3)的上端口的均为阶梯状，所述绝缘套管(2)上端和下端分别与上过渡环(1)和下过渡环(3)内部的阶梯部分相配合，所述绝缘套管(2)的内径略大于电极芯(4)的直径，所述上过渡环(1)的上端口与电极芯(4)的直径相配合且与电极芯(4)密封连接，所述下过渡环(3)的下端口的外径与正极盖板(5)中心孔的内径相配合且二者密封连接，所述上过渡环(1)和下过渡环(3)外部的阶梯处均为圆弧过渡。

【技术特征摘要】
1.一种用于液态金属电池的密封绝缘电极，其特征在于，包括电极芯(4)、从上至下依次套设在电极芯(4)上的上过渡环(1)、绝缘套管(2)、下过渡环(3)和电池盖板(5)，所述上过渡环(1)的下端口和下过渡环(3)的上端口的均为阶梯状，所述绝缘套管(2)上端和下端分别与上过渡环(1)和下过渡环(3)内部的阶梯部分相配合，所述绝缘套管(2)的内径略大于电极芯(4)的直径，所述上过渡环(1)的上端口与电极芯(4)的直径相配合且与电极芯(4)密封连接，所述下过渡环(3)的下端口的外径与正极盖板(5)中心孔的内径相配合且二者密封连接，所述上过渡环(1)和下过渡环(3)外部的阶梯处均为圆弧过渡。2.如权利要求1所述的密封绝缘电极，其特征在于，所述绝缘套管(2)为氧化铝基陶瓷、氮化铝基陶瓷或石英玻璃表面包覆金属制成，所述上过渡环(1)和下过渡环(3)采用4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接合金材料制备，所述上过渡环(1)和下过渡环(3)与表面包覆金属连接；所述电极芯(4)采用不锈钢、无氧铜或者4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接合金材料制备，所述电池盖板(5)采用不锈钢材料制备。3.如权利要求1或2所述的密封绝缘电极，其特征在于，所述电极芯(4)为无氧铜材料时，其表面采用不锈钢管进行包覆并形成紧配合，所述上过渡环(1)与不锈钢管紧密连接；所述电极芯(4)采用不锈钢、4J33陶瓷封接合金材料或4J34陶瓷封接合金材料制备时，所述上过渡环(1)直接与电极芯连接。4.如权利要求3所述的密封绝缘电极，其特征在于，所述绝缘套管(2)与上过渡环(1)、下过渡环(3)以及电极芯(4)连接时采用钎焊的焊接方式进行焊接，所述电池盖板(5)的内环和下过渡环(3)采用氩弧焊、激光焊接或钎焊方式焊接。5.如权利要求4所述的密封绝缘电极，其特征在于，所述上过渡环(1)、下过渡环(3)和绝缘套管(2)的阶梯的数量范围为0～5，所述绝缘套管(2)上的阶梯数量少于或等于对应的上过渡环(1)和下过渡环(3)的阶梯数量，所述电极芯(4)的上部...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋凯，郭姣姣，王康丽，彭勃，张坤，黎朝晖，
申请(专利权)人：华中科技大学，中国西电电气股份有限公司，威胜集团有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42