用于高温反应性材料装置的密封件制造方法及图纸

本公开内容提供了用于在升高的温度下操作并且具有诸如锂、钠或镁等反应性金属蒸气的装置的密封件。在一些示例中，这样的装置包括可以在电网内或作为独立系统的一部分使用的储能装置。所述储能装置可以从电力生产源充电以备后期放电，诸如在有电能消耗需求时放电。

【技术实现步骤摘要】
用于高温反应性材料装置的密封件本申请是2014年10月16日提交的专利技术名称为“用于高温反应性材料装置的密封件”的第201480068801.X号中国专利申请(国际申请号PCT/US2014/060979)的分案申请。交叉引用本申请要求提交于2013年10月16日的美国临时申请号61/891,784、提交于2013年10月16日的美国临时申请号61/891,789以及提交于2014年1月22日的美国临时申请号61/930,298的权益，上述每个申请均通过引用而全文并入于此。专利技术背景各种装置被配置用于在升高的温度(或高温)下使用。这类装置的示例包括升高温度的电池，所述电池是能够将储存的化学能转化为电能的装置。电池可用于许多家庭应用和工业应用。高温装置的另一示例是诸如那些在半导体装置的制造中所使用的化学气相沉积室。高温装置的另一示例是设计用于加工、运输、包含和/或储存反应性金属的化工器皿、输送管或储存器皿。这些装置通常可以在300℃或超过300℃的温度下操作。
技术实现思路
本文认识到与温度升高的装置(或高温装置)相关联的各种限制。例如，一些电池在高温(例如，至少约100℃或300℃)下操作并且具有可能需要充分包含于所述装置内的反应性材料蒸气(例如反应性金属蒸气，举例而言诸如锂、钠、钾、镁或钙的蒸气)。高温反应性材料装置的其他示例包括使用熔融的盐或金属(例如，熔融的钠或锂或者熔融的含钠或锂的合金)作为冷却剂的核(例如，聚变)反应堆、用于制造半导体的装置、非均匀反应堆和用于生产(例如，加工)和/或处理(例如，运输或储存)反应性材料(例如，举例而言诸如具有强化学还原能力的化学制品等反应性化学制品，或者举例而言诸如锂或钠等反应性金属)的装置。这样的装置在使用过程中可能需要被充分地密封以隔开外部环境，举例而言诸如用以防止装置故障、延长装置使用或避免对这样的装置的用户或操作者的健康造成不利影响。本公开内容为具有(例如，包含或包括)反应性材料(例如，反应性金属)并且在高温下(例如，至少约100℃或300℃)操作的储能装置和其他装置提供密封件。所述储能装置(例如，电池)可以在电网内或作为独立系统的一部分使用。所述电池可以从电力生产源充电，以备后期在有电能消耗需求时放电。本公开内容的一方面针对一种高温装置，所述高温装置包括：(a)容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及(b)密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括(i)暴露于所述反应性金属和/或熔盐的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐有化学抗性；(ii)与所述陶瓷材料相邻的金属套环；以及安置在所述陶瓷材料与所述金属套环和所述容器中的至少一个之间的活性金属钎焊接头，其中所述活性金属钎焊接头包括将所述陶瓷材料化学还原(“chemicallyreduce”)的至少一种金属。本公开内容的另一方面涉及一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括陶瓷材料、钎焊材料和套管。本公开内容的另一方面涉及一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属组合物被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其将所述导体密封至所述导电外壳，其中所述密封件提供了在至少约25℃的温度下不超过约1×10-6大气压-立方厘米每秒(atm-cc/s)的氦气泄露率。本公开内容的另一方面针对一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属组合物被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中跨所述密封件的阻抗在所述操作温度下至少约为1千欧姆。本公开内容的另一方面针对一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其包括结合至金属套环并且连接至所述导体和所述导电外壳的电绝缘陶瓷，其中所述密封件使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述电绝缘陶瓷具有小于6μm/m/℃的热膨胀系数(CTE)，并且其中所述金属套环的CTE与所述电绝缘陶瓷的CTE的差异小于60％。本公开内容的另一个方面提供了一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；(b)与所述液态金属电接触的导体，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及(c)密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括热膨胀系数(CTE)与所述导电外壳和/或所述导体的CTE的差异为至少10％的材料，并且其中所述密封件具有几何形状以使得所述电化学单体被气密地密封。在本公开内容的另一方面中，提供了一种高温装置。所述装置包括：(a)容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及(b)密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括：(i)暴露于所述反应性金属和/或熔盐的陶瓷材料，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐具有化学抗性；以及(ii)接合至所述陶瓷材料的第一金属套环，其中所述第一金属套环具有小于8ppm/℃的热膨胀系数(CTE)。本公开内容的另一方面提供了一种用于选择材料以形成用于包含反应性材料的高温装置的密封件的方法。所述方法包括基于每一种所述材料的增加或减少的生成吉布斯自由能(ΔGr)对材料集进行等级排序；选择等级排序的材料的子集，其中所选择的材料保持等级排序的；以及基于选择的等级排序的材料选择密封材料集，从而当提供在所述密封件中时消除了所选择的等级排序的材料劣化的驱动力。本公开内容的另一方面提供了一种电化学单体，所述电化学单体包括容器，所述容器包含维持在至少约200℃的温度下的反应性材料。所述电化学单体还包括密封件，所述密封件穿过所述容器并且将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境。所述密封件包括暴露于所述反应性材料的陶瓷组件和接合至所述陶瓷组件的金属套环。所述密封件是以圆周配置布置的，所述圆周配置导致所述金属套环到所述陶瓷导体上的径向压缩力，并且所述密封件被配置为具有相对于垂直定向约20度的锥角。本公开内容的另一方面提供了一种电化学单体，所述电化学单体包括：(a)容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高温装置，包括：a.容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及b.密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，所述密封件包括：i.陶瓷材料，其暴露于所述反应性金属和/或熔盐，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐有化学抗性；ii.金属套环，其与所述陶瓷材料相邻；以及iii.活性金属钎焊接头，其安置在所述陶瓷材料与所述金属套环和所述容器中的至少一个之间，其中所述活性金属钎焊接头包含至少一种将所述陶瓷材料化学还原的金属。

【技术特征摘要】
2013.10.16 US 61/891,784;2013.10.16 US 61/891,789;1.一种高温装置，包括：a.容器，其包含反应性金属和/或熔盐；以及b.密封件，其将所述容器密封以隔开所述容器外部的环境，所述密封件包括：i.陶瓷材料，其暴露于所述反应性金属和/或熔盐，其中所述陶瓷材料在至少100℃的温度下对所述反应性金属和/或熔盐有化学抗性；ii.金属套环，其与所述陶瓷材料相邻；以及iii.活性金属钎焊接头，其安置在所述陶瓷材料与所述金属套环和所述容器中的至少一个之间，其中所述活性金属钎焊接头包含至少一种将所述陶瓷材料化学还原的金属。2.一种电化学单体，包括：a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及c.密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括陶瓷材料、钎焊材料和套管。3.一种电化学单体，包括：a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及c.密封件，其将所述导体密封到所述导电外壳，其中所述密封件提供了在至少约25℃的温度下不超过约1×10-6大气压-立方厘米每秒(atm-cc/s)的氦气泄露率。4.一种电化学单体，包括：a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及c.密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中跨所述密封件的阻抗在所述操作温度下至少约为1千欧姆。5.一种电化学单体，包括：a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及c.密封件，其包括结合至金属套环并且连接至所述导体和所述导电外壳的电绝缘陶瓷，其中所述密封件使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述电绝缘陶瓷具有小于6μm/m/℃的热膨胀系数(CTE)，并且其中所述金属套环的CTE与所述电绝缘陶瓷的CTE的差异小于60％。6.一种电化学单体，包括：a.导电外壳，其包括在至少约200℃的操作温度下是液体的液态金属，其中所述液态金属被配置用于在所述电化学单体的充电/放电过程中储存/释放电荷；b.导体，其与所述液态金属电接触，其中所述导体经所述导电外壳中的孔径穿过所述导电外壳突出；以及c.密封件，其使所述导体与所述导电外壳电隔离，其中所述密封件包括具有与所述导电外壳和/或所...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·J·布拉德韦尔，哈里·纳亚尔，格雷格·汤普森，崔建怡，大卫·S·迪克，迈克尔·J·麦克尼利，布莱恩·内尔特纳，达雷尔·泰勒，韦马尔·普加里，扎迦利·T·莫德斯特，
申请(专利权)人：安保瑞公司，
类型：发明
国别省市：美国,US