专利名称：钠硫电池及其模块电池的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种钠硫电池和组合多个钠硫电池的模块电池。
背景技术：
钠硫电池(下面，称之为“NaS电池”)是在300_350°C下工作的高温二次电池，采用如下结构在阳极容器内，将作为阳极活性物质的硫磺和作为阴极活性物质的钠分别隔离容纳在由￠-氧化铝形成的固体电解质管的内外，并将阳极容器内密封为密闭状态，使得活性物质保持不与外气接触的状态。由于NaS电池的阳极活性物质硫磺为绝缘物，为确保阳极和阴极之间的导通、降 低电池的内阻，通常要配置阳极集电体。阳极集电体是将硫磺含浸于具有导电性的碳纤维构成的毛毡状的基体材料而构成的部件，以与阳极容器内侧面和固体电解质管外侧面接触的状态容纳于阳极容器中。进而，阳极集电体在与固体电解质管接合一侧的表面具有通过针刺络合打入绝缘性物质玻璃纤维而形成的高电阻区域。由于高电阻区域使固体电解质管和阳极集电体的接触面附近的导电性降低，因此可以防止充电时电子授受反应仅在固体电解质管和阳极集电体的接触面附近进行。因此，在该部分析出绝缘物硫磺，从而能够防止随着充电反应的进行而出现的由电池内阻上升所导致的充电恢复性降低(即使残留有多硫化钠，也不进行充电反应，充电不完全的现象)的现象。
实用新型内容实用新型要解决的问题但是，NaS电池在300°C以上的高温下工作，因此，电池的温度管理对电池性能有很大影响。单电池的电阻值与放热量有关，因而单电池的电阻值管理很重要。另外，特别是将多个单电池以串联和/或并联方式组合而构成模块电池时，从模块电池的温度管理的观点出发，各个单电池的电阻值管理就变得非常重要。本实用新型是鉴于这种现有技术的问题点而做出的，其目的在于提供一种温度管理性能优异的NaS电池。解决问题的手段为达到上述目的的本实用新型的NaS电池，具备金属制阳极容器，其具有筒部和堵塞该筒部下端部的底盖；有底筒状的固体电解质管，其容纳于所述阳极容器内并与所述阳极容器内面相隔固定间隔且内部填充有钠；毛毡状阳极集电体，其含浸有硫磺并以与所述阳极容器内侧面和所述固体电解质管外侧面接触的状态容纳于所述阳极容器中。其特征在于，所述阳极集电体包含毛毡状基体材料，其由碳纤维构成；玻璃纤维，其从所述固体电解质管侧向所述阳极容器侧延伸并分布于所述基体材料的所述固体电解质管侧的表面和所述基体材料的内部，所述阳极集电体的比电阻值为0. IOQ 以上、0.35Q ^cm以下。此处，如果阳极集电体的比电阻值大于0. 35Q 则NaS电池的放热量变大而温度管理变难，特别是组合多个单电池构成模块电池时，其温度控制变得困难。另一方面，如果阳极集电体的比电阻值小于O. 10 Ω · Cm，则有可能在高电阻区域所包含的玻璃纤维不够充足，充电时在固体电解质管外侧面容易析出硫磺，从而充电性能降低。[0011]另外，本实用新型的模块电池通过将多个所述钠硫电池组合而构成的。另外，此处，优选地，所述阳极容器为圆筒状，多个所述钠硫电池的排列的至少一部分为最密填充，所述最密填充是，以使成为中心的一个钠硫电池的筒侧面与围绕该侧面的其他六个钠硫电池的同侧面靠近的配置方式。实用新型效果若采用本实用新型的NaS电池，通过将阳极集电体的比电阻值控制在上述范围，能形成温度管理性能优异的NaS电池。
图I是对本实用新型的模块电池的一部分进行透视的立体图。图2是容纳于上述模块电池的NaS电池(单电池)的剖视图。图3是容纳于阳极容器之前的阳极集电体的立体图。图4是容纳于阳极容器状态的阳极集电体的立体图。图5是将盖体拆卸后的状态的模块电池的俯视图。附图标记说明I NaS 电池2阳极金属件3固体电解质管4阳极集电体10模块电池21 筒部22 底盖
具体实施方式
以下参照附图对本实用新型的实施方案进行说明。如图I所示，模块电池10是将多个作为单电池的NaS电池I组合而构成的。模块电池10具备容纳这些多个NaS电池I的绝热熔器50，绝热容器50具有在上面开口的箱型容器主体51和堵塞容器主体51上面的盖体52。另外，绝热容器50内部设置有底面加热器61和侧面加热器62等。此外，对于模块电池10中的NaS电池I的具体排列在下文中进行叙述。如图2所示，NaS电池I具备阳极容器2，其具有筒部21和堵塞筒部21下端部的底盖22 ;有底筒状的固体电解质管3，其容纳于阳极容器2内并与阳极容器2内面相隔规定间隔且在内部填充有钠；毛毡状的阳极集电体4，其含浸有硫磺并以与阳极容器2内侧面和固体电解质管3外侧面接触的状态容纳于阳极容器2中。固体电解质管3通过α-氧化铝等构成的绝缘环5、接合于绝缘环5下面的阳极金属件6与阳极容器2接合。另外，绝缘环6上面热压接合有阴极金属件7。阳极容器2由铝或铝合金等软质金属形成。例如通过将底盖22以嵌合于筒部21下端部的状态熔接等来制作阳极容器2。固体电解质管3由具有选择性透过钠离子功能的β-氧化铝等形成。阳极集电体4包含毛毡状基体材料，其由碳素纤维构成；玻璃纤维，其从固体电解质管3侧向阳极容器2侧延伸并分布于基体材料的固体电解质管3侧表面和基体材料内部。阳极集电体4通过在这些材料中含浸硫磺而形成。此外，在本实施方案中，使用三个如图2所示的长方体状的阳极集电体4，将这些阳极集电体4以图3所示的方式弯曲的状态围绕固体电解质管3周围而插入阳极容器2内侧面和固体电解质管3外侧面之间。含浸硫磺之前的阳极集电体4的制作可以使用用于无纺布的毛毡加工等的针刺络合机。针刺络合机是能反复进行如下操作的装置，即将在顶端部、长尺寸方向的途中突出设置有多个有钩的金属针的针板垂直打入加工对象物并拔出。另外，针刺络合机还设置有传送带等移动单元，该移动单元能够使加工对象物与针板打入同步地向水平方向移动。 若采用这样的针刺络合机，从玻璃纤维侧向积层体打入针板，则卡在金属针的钩部分的玻璃纤维与金属针在厚度方向上一同被打入基体材料，其中，积层体是通过将由玻璃纤维形成的布状体(例如无纺布等)、绵状体在基体材料表面重叠而形成的。进而，在用传送带等使基体材料向水平方向移动的同时打入针板，由此就能在基体材料整体上以均匀的间隔打入玻璃纤维。在基体材料和玻璃纤维的积层体中继续打入针板，则玻璃纤维被打入基体材料内而逐渐减少，在基体材料内部和表面形成玻璃纤维构成的高电阻区域。进一步继续进行打入操作，则最终构成基体材料的碳纤维的一部分露出表面。由于基体材料一侧表面被高电阻区域覆盖、该部分的电阻高，因此，这样形成高电阻区域的阳极集电体4能防止充电时仅在固体电解质管3和阳极集电体4的接触面附近析出绝缘物硫磺而形成绝缘层的情况。因此，不会随着充电反应的进行电池内阻上升，充电恢复性高，从这一点来讲优选采用该阳极集电体4。另外，由于通过针刺络合打入玻璃纤维而形成高电阻区域，因此玻璃纤维配置在基体材料的厚度方向Z上。将对多硫化钠的润湿性优异的玻璃纤维配置在基体材料的厚度方向Z上，则多硫化钠沿着该玻璃纤维移动，从而促进阳极集电体4上的多硫化钠的移动。因此，即使在电池大型化、阳极集电体4的厚度增加的情况下，也有能够使充电顺利、充电恢复性提高的效果。另外，阳极集电体4以玻璃纤维相对于基体材料的重量比随着从固体电解质管3的外侧面趋向阳极容器2的内侧面而减小的方式构成。另外，为了使阳极容器2和阳极集电体4的抵接面的接触电阻不变高，阳极集电体4以玻璃纤维不暴露在基体材料的阳极容器2侧表面的方式构成。由于具有如上所述那样的基体材料中的玻璃纤维分布，在采用阳极集电体4制作的NaS电池中，不仅在固体电解质管3附近，在阳极集电体4内部也容易发生电池反应，电池恢复性能变好。另外，由于能抑制电池内阻的上升，就能提供电池效率优异的NaS电池I。此外，被打入的玻璃纤维的最深部位置可以由将玻璃纤维打入基体材料时使用的金属针上形成的、位于最顶端部的钩的打入深度来控制。即，金属针在基体材料的打入深度越浅，被打入的玻璃纤维的最深部位置越靠近打入表面，打入深度越深，玻璃纤维最深部的位置越靠近相反表面。[0040]另外，在本实用新型中，阳极集电体4以比电阻值为0. IOQ .cm以上0.35 Q cm以下的方式构成。如果阳极集电体4的比电阻值大于0. 35 Q cm，则NaS电池I的放热量变大而温度管理变难，特别是组合多个单电池构成模块电池时，其温度控制变得困难。另一方面，如果阳极集电体4的比电阻值小于0. IOQ _，则有可能在高电阻区域所包含的玻璃纤维不够充足，充电时在固体电解质管3外侧面容易析出硫磺，从而充电性能降低。此外，阳极集电体4的比电阻值P用以下方式计算。首先，将含浸硫磺后的阳极集电体4打穿成直径5cm的圆盘状而准备试片，使用两块镀金的电极，以使整个电极与试片的上下面接触方式夹持该试片，在压缩率85-95 %的状态下测定阳极集电体4的厚度方向Z的电阻值R。并且，基于测定的电阻值R、剖面面积S ( BP, 2. 5cmX2. 5cm X ji、单位为cm2)、压缩时的试片的厚度L(单位为cm)计算P =RXS/L。若采用NaS电池I，通过将阳极集电体4的比电阻值控制在上述范围，能够形成温度管理性能优异的NaS电池。接着，对模块电池10中的NaS电池I的排列进行说明。在本实用新型中，多个NaS电池I的排列中的至少一部分被配置成最密填充。此处的最密填充是指，以使成为中心的一个NaS电池I的筒侧面与围绕该侧面的其他六个NaS电池I的筒侧面靠近的配置方式。更具体地，如图5所示，例如对温度容易下降的容器主体51外周附近50a的一部分以最密填充的方式配置，对温度不易下降的容器主体51的中心附近50b以成为中心的一个NaS电池I的筒侧面与围绕该侧面的其他四个NaS电池I的筒侧面靠近的方式配置。对NaS电池I进行最密填充时，各NaS电池(单电池)I的温度容易影响周围NaS电池1，因此，各NaS电池I需要高的温度管理性能。若采用上述本实用新型的NaS电池1，由于各NaS电池I具备高的温度管理性能，因此即使在由最密填充的配置构成模块电池10，也能形成整体温度管理性能优异的模块电池10。
权利要求1.ー种钠硫电池，其具备金属制阳极容器，其具有筒部和堵塞该筒部下端部的底盖；有底筒状的固体电解质管，其容纳于所述阳极容器内并与所述阳极容器的内面相隔固定间隔且内部填充有钠；毛毡状阳极集电体，其含浸有硫磺并以与所述阳极容器的内侧面和所述固体电解质管的外侧面接触的状态容纳于所述阳极容器中，其特征在干， 所述阳极集电体包含毛毡状基体材料，其由碳纤维构成；玻璃纤维，其从所述固体电解质管侧向所述阳极容器侧延伸并分布于所述基体材料的所述固体电解质管侧的表面和所述基体材料的内部， 所述阳极集电体的比电阻值为O. 10 Ω · Cm以上且0.35 Ω · cm以下。
2.ー种模块电池，其特征在于组合了多个权利要求I所述的钠硫电池。
3.根据权利要求2所述的模块电池，其特征在干， 所述阳极容器为圆筒状， 多个所述钠硫电池的排列中的至少一部分为最密填充，所述最密填充是，以使成为中心的一个钠硫电池的筒侧面与围绕该侧面的其他六个钠硫电池的筒侧面靠近的配置方式。
专利摘要本实用新型的NaS电池(1)具备金属制的阳极容器(2)；有底筒状固体电解质管(3)，其容纳于阳极容器(2)内并与阳极容器(2)内面相隔规定间隔且内部填充有钠；毛毡状的阳极集电体(4)，其含浸有硫磺并以与阳极容器(2)内侧面和固体电解质管(3)外侧面接触的状态容纳于阳极容器(2)中，其特征在于，阳极集电体(4)包含毛毡状基体材料，其由碳纤维构成；玻璃纤维，其从固体电解质管(3)侧络合于基体材料，阳极集电体(4)的电阻值R满足0.10Ω·cm≤R≤0.35Ω·cm。由此能提供温度管理性能优异的NaS电池。
文档编号H01M4/66GK202423502SQ20112053077
公开日2012年9月5日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者须贝美步 申请人:日本碍子株式会社