本發明涉及一種鈉硫電池負極安全管成型設備。

背景技術：

鈉硫電池是一種高比能量儲能高溫電池，其正極活性物質為硫磺，負極活性物質為金屬鈉，兩種活性物質均屬于易燃易爆物質。因此限制鈉硫電池規模化應用的一個主要問題是如何保障鈉硫電池的安全性能。一般的鈉硫電池結構設計為鈉位于固體電解質管2的內部，硫磺位于固體電解質管2的外部；這種設計具有最高的比能量密度；但當固體電解質管2破損，負極的鈉和正極的硫磺直接反應，生成大量熱和高腐蝕性的多硫化鈉，從而引起鈉硫電池外殼熔化、燃燒的危險。此外，只要有硫磺和鈉存在，反應就不會停止。為抑制這樣的反應，公開號為CN202423500的專利，鈉硫電池的負極組件采用雙層管結構，即儲存鈉的儲鈉管(圖中未顯示)使用高熔點的鋼制金屬，而在所述儲鈉管和固體電解質管2之間配有高熱膨脹系數的鋁或鋁合金制成的安全管6，但對鋁合金的安全管6制備方法沒有過多介紹。

由于固體電解質管2的材料為beta氧化鋁陶瓷材料，在燒結過程中不可避免地在垂直度、圓柱度等方面存在一定的分散性，要保障固體電解質管2和安全管6之間的間隙均勻性，必須采用柔性且容易變形的鋁或變形鋁合金作為安全管6的材料。固體電解質管2和絕緣陶瓷環1首先采用玻璃作為焊料封裝在一起，然后絕緣陶瓷環1和正極封接環3，以及負極封接環4在一定的溫度和壓力下完成封接，其中固體電解質管2和絕緣陶瓷環1的封接溫度在1000℃以上，而絕緣陶瓷環1和正極封接環3，以及負極封接環4進行封接的溫度也在500℃以上，要保證鈉硫電池的失效溫度控制在500℃之內，安全管6的制備必須是絕緣陶瓷環1、正極封接環3，以及負極封接環4的封接后進行。

技術實現要素：

本發明的目的是為了克服現有技術的不足，提供一種鈉硫電池負極安全管成型設備，其能保證制成的安全管的形狀與固體電解質管的形狀對應，使常溫下固體電解質管與安全管之間的間隙在0.1～0.2mm之間，保證鈉硫電池的安全性，并在鈉硫電池的溫度超過420℃時，切斷鈉離子的傳輸通道。

實現上述目的的一種技術方案是：一種鈉硫電池負極安全管成型設備，包括用以支撐鈉硫電池負極組件的固體電解質管的底部托舉結構，以及同軸套接在所述鈉硫電池負極組件的安全管的徑向內側的柔性管，所述柔性管用高彈材料制成，所述柔性管包括從下至上依次設置的半球封口端、直筒部、錐形部和開口部，所述直筒部、所述錐形部和所述開口部的內徑相等，所述錐形部使所述柔性管的外徑從下至上連續線性增大；所述柔性管的頂部通過頂部封閉結構封閉，所述頂部封閉結構的中心設有注液口。

進一步的，所述鈉硫電池負極安全管成型設備還包括工作臺，所述工作臺包括兩根豎直的導軌，所述底部托舉結構和所述頂部密封結構均連接所述導軌。

再進一步的，所述底部托舉結構包括用以支撐所述固體電解質管的內支撐部，以及套接在所述內支撐部外側的外支撐部，所述內支撐部的頂面設有一個與所述固體電解質管的底部半球形狀對應的凹面，所述外支撐部與所述導軌之間通過滑動連接件連接，使所述底部托舉結構可沿所述導軌上下滑動。

更進一步的，所述底部托舉結構連接伺服電機。

再進一步的，所述內支撐部由尼龍、聚四氟乙烯或聚丙烯制成，所述外支撐部由金屬制成，所述滑動連接件與所述外支撐部之間過盈配合。

更進一步的，所述頂部封閉結構包括位于所述柔性管頂部徑向內側的內金屬環，套接在所述柔性管頂部徑向外側的外金屬環，以及套接在所述外金屬環徑向外側，并將所述內金屬環頂部封閉的端蓋；

所述外金屬環的內圓周與所述柔性管的開口部、錐形部以及直筒部頂端的外圓周配合；

所述內金屬環的頂面與所述柔性管頂面等高，所述端蓋的底面與所述柔性管的頂面和所述內金屬環的頂面面接觸，所述注液口位于所述端蓋的中心。

更進一步的，述端蓋與所述導軌之間，所述外金屬環與所述導軌之間均通過固定插銷固定。

更進一步的，所述柔性管頂部的內圓周設有倒角，所述內金屬環的外圓周和所述倒角之間設有O形密封圈。

更進一步的，所述外金屬環的外圓周與所述端蓋的內圓周螺紋配合。

更進一步的，所述外金屬環的底面與所述安全管的頂面之間設有保護環。

采用了本發明的一種鈉硫電池負極安全管成型設備的技術方案，包括用以支撐鈉硫電池負極組件的固體電解質管的底部托舉結構，以及同軸套接在所述鈉硫電池負極組件的安全管的徑向內側的柔性管，所述柔性管用高彈材料制成，所述柔性管包括從下至上依次設置的半球封口端、直筒部、錐形部和開口部，所述直筒部、所述錐形部和所述開口部的內徑相等，所述錐形部使所述柔性管的外徑從下至上連續線性增大；所述柔性管的頂部通過頂部封閉結構封閉，所述頂部封閉結構的中心設有注液口。其技術效果是：能保證制成的安全管的形狀與固體電解質管的形狀對應，使常溫下固體電解質管與安全管之間的間隙在0.1～0.2mm之間，保證鈉硫電池的安全性，并在鈉硫電池的溫度超過420℃時，切斷鈉離子的傳輸通道，反應速度得到有效抑制。

附圖說明

圖1為本發明的一種鈉硫電池負極安全管成型設備的結構示意圖。

圖2為本發明的一種鈉硫電池負極安全管成型設備的柔性管的結構示意圖。

具體實施方式

請參閱圖1，本發明的發明人為了能更好地對本發明的技術方案進行理解，下面通過具體地實施例，并結合附圖進行詳細地說明：

請參閱圖1，本發明的一種鈉硫電池負極安全管成型設備，包括工作臺11，柔性管7、頂部封閉結構和底部托舉結構8。

工作臺11上設有兩根豎直的導軌11a。導軌11a用硬質合金，比如Cr13鋼制成。

底部托舉結構8包括與固體電解質管2的底部半球21接觸，用以支撐固體電解質管2的內支撐部8c，套接在內支撐部8c外側的外支撐部8b，外支撐部8b用以支撐內支撐部8c。

內支撐部8c采用非金屬材料組成，可選用尼龍、聚四氟乙烯、聚丙烯等高分子材料，其頂面為一個形狀與固體電解質管2的底部半球21形狀對應的凹面，以防止固體電解質管2損壞。外支撐部8b采用金屬材料，可采用碳鋼、合金鋼、不銹鋼等材料制成。外支撐部8b與兩個導軌11a之間，分別設有一個滑動連接件8a，用于引導底部托舉結構8沿著導軌11a上下滑行。滑動連接件8a和外支撐部8b之間過盈配合，確保滑動連接件8a和外支撐部8b之間不分離。底部托舉結構8沿著導軌11a上下滑行可采用伺服電機驅動，這樣既能保證內支撐部8c的頂面和固體電解質管2的底部半球21之間的有效接觸，又不會對固體電解質管2的底部半球21形成過大的應力，使固體電解質管2損壞。所述伺服電機帶有位移和壓力顯示功能，在豎直方向可以定位底部托舉結構8，一旦底部托舉結構8和固體電解質管2受力接觸，所述伺服電機自動停機。

柔性管7是本發明的一種鈉硫電池負極安全管成型設備中的核心部件，其保證了整個鈉硫電池負極安全管成型設備的安全性以及壽命。柔性管7同軸套接在鈉硫電池負極組件的安全管6的徑向內側。柔性管7的材料要選擇既具有較大的形變能力，還需要較強的恢復能力，同時還能承受水的長期腐蝕的高彈材料?？蓛炦x丁晴橡膠或聚氨酯橡膠。

柔性管7具備從上至下依次設置的開口部73、直筒部71和半球封口端72。開口部73的內徑和直筒部71的內徑相同，開口部73的外徑大于直筒部71的外徑。

開口部73和直筒部71之間通過錐形部74連接。錐形部74的內徑與直筒部71的內徑相同。錐形部74的外徑從下至上連續線性增大，因此從直筒部71的頂端到開口部73的底端，柔性管7的外徑連續線性增大。柔性管7的開口部71的長度X和錐形部74的長度Y的關系為X:Y＝1:1-4:1。通過開口部73、錐形部74和直筒部71依次連接的結構，能保證柔性管7的高強度以及使用壽命。這是因為高壓液體介質是從開口部73填充的，在軸向方向上開口部73受到的應力較直筒部71大，且開口部73不允許變形。直筒部71是柔性管7最薄弱部分，其作用主要是變形，因此對直筒部71的外表面不允許任何凸起、毛刺等不良。柔性管7密封完好，液體介質不會泄漏，否則會發生安全隱患。

直筒部71的壁厚t1、開口部73頂端的壁厚t2，兩者之間的關系為t1：t2＝1:1.5-1:2.5，直筒部71的長度l和固體電解質管2的長度L，兩者之間的比例的關系為1:1.3-1:1.6，該比例低于1:1.3，則柔性管7的直筒部71不能完全覆蓋固體電解質管2的內長，造成部分安全管6無法變形，該比例高于1:1.6，一方面形成材料的浪費，另外一方面提高柔性管7的制作難度。柔性管7的開口部73的內圓周設有倒角75。

所述頂部封閉結構，包括外金屬環10、內金屬環15和端蓋12。端蓋12的頂部設有注液孔12b。

內金屬環15套接在柔性管7頂部的徑向內側，內金屬環15的外圓周與柔性管7的開口部73頂部的內圓周的倒角75之間設有O形密封圈。內金屬環15的頂面與柔性管7的頂面等高。內金屬環15外周面與所述O形密封圈配合，在螺栓緊固作用下，所述O形密封圈發生擠壓變形，從而達到密封柔性管7和外金屬環10的作用。

外金屬環10的頂部套接在柔性管7的徑向外側，外金屬環10的內圓周與柔性管7的開口部73、錐形部74以及直筒部71頂部的外圓周配合。也就是說圍繞柔性管7的開口部73、錐形部74以及直筒部71頂部的外圓周形成了可與外金屬環10內圓周配合的配合面。

端蓋12套接在外金屬環10的徑向外側，并將內金屬環15的頂面封閉，端蓋12的頂面與，柔性管7的頂面和內金屬環15的頂面面接觸。外金屬環10的頂面與端蓋12的底面之間設有環形的密封墊16。

同時端蓋12和工作臺11的導軌11a之間通過上固定插銷13b固定，外金屬環10和工作臺11的導軌11a之間通過下固定插銷13a固定。

外金屬環10由于會長時間接觸到水、酒精等液體介質，因此優選采用含有Cr的耐腐蝕奧氏體合金鋼材料，外金屬環10的外圓周面加工粗制外螺紋，端蓋12的內圓周面加工成內螺紋，使外金屬環10和端蓋12之間形成緊固的螺紋密封連接。外金屬環10的內圓周與柔性管7配合。端蓋12、外金屬環10、內金屬環15以及柔性管7形成完整的密封體。

接著，對安全管的詳細制備過程進行說明：

固體電解質管2為外徑50mm、壁厚3mm、長度260mm，直線度在1mm以下的beta氧化鋁管。安全管6為外徑43mm、壁厚0.8mm的退火態3003鋁合金管。首先將安全管6采用超聲波洗凈，在經過熱壓封接的固體電解質管2的內部插入安全管6；安全管6由內直筒部6a和內底部半球6b組成，采用旋壓一體成型，安全管6內外表面光滑，無任何毛刺缺陷，安全管6裝配后，安全管6的內底部半球6b的外表面和固體電解質管2的底部半球21的內表面發生局部線接觸。

接著，將柔性管7頂部的外圓周面與外金屬環10的內圓周面套接，再將內金屬環15安裝在柔性管7的開口部73的倒角75的徑向內側，然后將端蓋12套接在外金屬環10的徑向外側，端蓋12的內圓周面與外金屬環10的外圓周面通過螺紋配合，確保密封性。將工作臺11的兩根導軌11a的頂部開兩個水平孔，與端蓋12的對應的兩個水平孔保持在一條水平線上，使端蓋12與工作臺11的兩根導軌11a之間均能通過上固定插銷13b固定，同時兩根上固定插銷13b能夠自由轉動。

將負極封接環4的保護環9從柔性管7底端緩慢插入，使保護環9卡接至外金屬環10的底端與安全管6的頂端之間。此后將安全管6的徑向外側的固體電解質管2同樣從柔性管7的底部套接在安全管6的徑向外側，直至安全管6的內底部半球6b和柔性管7的外表面局部發生線性接觸。通過控制伺服電機的豎直移動，使底部托舉結構8的頂面和固體電解質管2的底部半球21的底面接觸，最后通過上固定插銷13b和下固定插銷13a，使所述頂部封閉結構與工作臺11固定，確保固體電解質管2不擺動。

通過端蓋12中心的注液孔12b向柔性管7內填充水，采用水壓試驗機提供液體壓強，在壓力作用下，柔性管7會向外膨脹，首先發生柔性管7和安全管6的面接觸，隨著壓強的逐步增大，柔性管7的變形帶動安全管6的變形，最終安全管6的外表面和固體電解質管2的內表面緊密面接觸接觸。

采用制備好的安全管6，在空氣氣氛條件下，經過430℃熱處理30min，由于鋁合金和氧化鋁陶瓷的熱膨脹系數差異，常溫條件下在固體電解質管2和安全管6之間形成0.1-0.2mm的間隙。

使用本發明的一種鈉硫電池負極安全管成型設備組裝鈉硫電池。鈉硫電池的放電容量和工作溫度的關系為：鈉硫電池在320℃-370℃范圍內放電性能正常，而當鈉硫電池升溫至400℃后，鈉硫電池放電性能循環惡化，當鈉硫電池溫度繼續升至420℃時，鈉硫電池則無法正常工作，這些測試結果表明本發明的一種鈉硫電池負極安全管成型設備效果顯著，通過控制安全管6和固體電解質管2之間的間隙進而達到控制鈉的反應質量，并且鈉硫電池溫度升高到一定程度，鈉無法參與化學反應，可以將鈉硫電池控制在斷路狀態，減小鈉硫電池因固體電解質管2破損失效的危險性，避免鈉硫電池的溫度超過500℃。

本技術領域中的普通技術人員應當認識到，以上的實施例僅是用來說明本發明，而并非用作為對本發明的限定，只要在本發明的實質精神范圍內，對以上所述實施例的變化、變型都將落在本發明的權利要求書范圍內。