СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ УЗЛА ГЕРМЕТИЗАЦИИ СЕРНО-НАТРИЕВОГО АККУМУЛЯТОРА Российский патент 1997 года по МПК H01M10/39 H01M2/08 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при изготовлении химических источников тока.

Основной компонент сернонатриевых элементов тонкостенный керамический электролит из бета-глинозема. Электродные токовые коллекторы изготавливаются из металлов. Эти металлические компоненты должны образовывать вместе с керамическим электролитом единую конструкцию. Для обеспечения электрической изоляции между электродами используется керамическое кольцо из альфа-глинозема (корунда). Известен способ изготовления натрийсерного элемента, включающий установку в наружном цилиндрическом металлическом корпусе электролита из бета-глинозема для разделения внутреннего пространства корпуса на две электродные зоны, соединение изоляционного керамического элемента с электролитом глазурованием для закрытия первой электродной зоны, установку токового коллектора от первой электродной зоны в изоляционном керамическом элементе, термокомпрессионное связывание изоляционного керамического элемента с кольцевым металлическим элементом из сплава на железной и никелевой основе и сварку этого металлического элемента с наружным корпусом для закрытия второй электродной зоны, при этом первую электродную зону уплотняют вокруг токоотвода дополнительным внутренним кольцевым металлическим элементом [1]
Способ позволяет осуществлять надежные герметичные стыки между керамическими материалами, в частности глиноземом, и стойкими к коррозии сплавам на основе железа или никеля с коэффициентом термического расширения, близким к керамике, и с температурой плавления 1050^oС, но процесс соединения получается длительным, так как происходит в несколько стадий. Известно также, что к основным типам металлокерамических спаев, которые используются в сернонатриевых аккумуляторах для соединения металлических деталей с корундовым кольцом, относятся компрессионные спаи на прокладках, спаи стеклоприпоями и металлическими припоями и диффузионные соединения [2] Известно, что для соединения диффузионной сваркой необходимо между керамикой из α-глинозема и металлом помещать промежуточный слой мягкого металла, например алюминия, предварительно обеспечив спай стеклом изоляционного кольца с трубкой из b-глинозема [см. там же, стр. 424-428] Типичные параметры диффузионной сварки: температура 500-600^oС, время 0,1-10 мин, рабочая среда аргон или вакуум и такое осевое усилие, которое позволяет получить на герметизируемых конических поверхностях давление 2 МПа. Но такие спаи обладают недостаточной надежностью, так как в результате противодиффузии наблюдается медленный рост интерметаллидной прослойки, образующейся на границе алюминия с металлом, что приводит к ослаблению соединения, а также этим способом затруднительно обеспечить высокую производительность изготовления, процесс трудно поддается автоматизации.

Задачей авторов является изготовление вакуумплотных соединений сернонатриевых аккумуляторов, повышение производительности процесса производства аккумуляторов. Для решения поставленной задачи авторами предложен способ изготовления узла герметизации сернонатриевого аккумулятора, в котором соединение изолирующего кольца из a-глинозема с металлическими токовыводами через промежуточную прокладку и керамическим электролитом из b-глинозема осуществляют за один цикл диффузионной сваркой, при этом перед сваркой на промежуточную прокладку, состоящую из алюминия и 2-4,5% марганца, наносят покрытие меди толщиной 0,5-5 мкм. Соединение ведут в приспособлении при давлении остаточных газов 1-10 Па, температуре 610-620^oС и давлении сжатия 0,01-0,08 МПа.

Введение в промежуточную алюминиевую прокладку марганца и нанесения на него тонкого медного покрытия в указанных значениях за счет эвтектической реакции медь-алюминий образуется слой жидкой фазы, позволяющий создать идеальный физический контакт между соединяемыми поверхностями. Входящий в состав алюминиевой прокладки марганец значительно увеличивает инкубационный период образования интерметалидов и его состав является оптимальным для обеспечения пластичности сварного соединения. Диффузионную сварку осуществляют за один цикл, что способствует значительному повышению производительности процесса. Режим диффузионной сварки и диапазоны параметров подобраны экспериментально.

Способ реализуется с помощью устройства, показанного на чертеже. В корпусе (4) установлено: изоляционное кольцо из b-глинозема (5), твердый электролит из a-глинозема (6), анодный (2) и катодный (3) коллекторы, промежуточные прокладки (1).

Узел герметизации сернонатриевого аккумулятора собирают в приспособлении, обеспечивающем фиксацию деталей узла относительно друг друга и поджатие в процессе сварки. Размеры промежуточных прокладок соответствуют размерам контактируемых поверхностей, подлежащих сварки. Прокладки размещают между анодным коллектором (2) и изоляционным кольцом из a-керамики (5), между катодным коллектором (3) и изоляционным кольцом из a-керамики (5), между твердым электролитом из b-глинозема и изоляционным кольцом из a-керамики. Сборки помещаются в кассеты с гнездами с внутренними диаметрами, соответствующими внутреннему диаметру корпуса (4). Для создания надежного физического контакта между свариваемыми поверхностями в один цикл сварка производится в присутствии жидкой фазы в объеме, соответствующему объему прореагировавших меди и алюминия.

Сварка осуществлялась в лабораторных условиях на стандартном оборудовании. Например, в горизонтальной печи СНВ-1 в кассете размещается 4-5 сборок под сварку, в каждой ячейке кассеты индивидуальная центрирующе-поджимная оснастка. Сварка осуществлялась при температуре 610^oC в течение 3 мин при поджатии 0,02 и остаточном давлении 2 Па. Нагрев производили со скоростью 6-10 град/мин, затем изотермическая выдержка в течение 2-5 мин и охлаждение со скоростью 5-8 град/мин. Далее камеру вакуумной печи разгерметизируют и сборку извлекают. Получены вакуумплотные соединения. Проводились испытания, показана работоспособность при термоударах и термоциклировании сернонатриевого аккумулятора. На основе описанного аккумулятора проектируется и будет изготавливаться сернонатриевая батарея.

Использование: производство серно-натриевых аккумуляторов. Сущность изобретения: изолирующее кольцо из альфа-глинозема соединяют с металлическими токовыводами и электролитом из бета-глинозема через прокладку из алюминия с добавкой 2-4 % марганца, покрытую слоем меди толщиной 0,5-5 мкм, соединение осуществляют диффузионной сваркой за один цикл при давлении остаточных газов 1-10 Па, давлении сжатия 0,01-0,08 МПа и температуре 610-620^oС. Это повышает производительность процесса. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ изготовления узла герметизации серно-натриевого аккумулятора, включающий соединение изолирующего кольца из альфа-глинозема с металлическими токовыводами и электролитом из бета-глинозема через промежуточную прокладку, отличающийся тем, что соединение изолирующего кольца из альфа-глинозема с металлическими токовыводами и керамическим электролитом осуществляют за один цикл диффузионной сваркой, при этом перед сваркой на промежуточную прокладку, состоящую из алюминия с 2,0 4,5% марганца, наносят покрытие меди толщиной 0,5 5,0 мкм. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диффузионную сварку осуществляют при давлении остаточных газов 1 10 Па, давлении сжатия 0,01 0,08 МПа и температуре 610 620^oС.