БАТАРЕЯ С РАСПЛАВЛЕННЫМ НАТРИЕМ И ПЕРЕГОРОДКА ДЛЯ БАТАРЕИ С РАСПЛАВЛЕННЫМ НАТРИЕМ Российский патент 2019 года по МПК H01M10/39 H01M2/14 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к батарее с расплавленным натрием, в которой используется расплавленный натрий, служащий в качестве активного материала анода, и бета-глинозем, служащий в качестве твердого электролита; и к перегородке для батареи с расплавленным натрием.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Батареи с расплавленным натрием включают два типа батарей, нашедших практическое применение, а именно, серно-натриевые батареи с использованием расплавленной серы в качестве активного материала катода и солевые батареи с расплавленным натрием с использованием хлорида никеля или тому подобного в качестве активного материала катода. В обеих из этих батарей с расплавленным натрием применяется перегородка, изготовленная из бета-глинозема, служащего в качестве твердого электролита. Кроме того, каждая из этих батарей с расплавленным натрием, которые применяются при высокой температуре от 250°С до 350°С, проявляет повышение температуры, поскольку вследствие внутреннего сопротивления сами батареи разогреваются во время заряда и разряда, и проявляет снижение температуры вследствие утечки тепла наружу из батарей, когда они не заряжаются или не разряжаются. Таким образом, батареи с расплавленным натрием демонстрируют переменные температуры при их зарядке и разрядке. Кроме того, батареи с расплавленным натрием должны проявлять такую долговечность, что они выдерживают условия долговременной эксплуатации в течение периода времени в десять лет или более.

[0003] Натрий, составляющий активный материал анода батареи с расплавленным натрием, соединения, такие как полисульфиды натрия (которые образуются в катодной камере во время разряда), а также бета-глинозем (который образует перегородку) все весьма чувствительны к воздействию воды. Следовательно, анодная камера и катодная камера должны проявлять столь высокую степень воздухонепроницаемости, чтобы предотвращать доступ водных компонентов из атмосферы.

[0004] В любых из серно-натриевых батарей и солевых батарей с расплавленным натрием, которые нашли практическое применение, в качестве изготовленной из бета-глинозема перегородки используется имеющая дно и открытая на верхнем конце трубка с конфигурацией пробирки. К верхнему концу имеющей дно и открытой на верхнем конце трубки посредством соединяющего со стеклом агента воздухонепроницаемо присоединено изоляционное кольцо, изготовленное из альфа-глинозема. Кроме того, к стороне внутренней периферийной поверхности изоляционного кольца воздухонепроницаемо присоединена металлическая крышка, образующая одну из электродных камер со стороны внутренней периферийной поверхности перегородки. В дополнение, к стороне наружной периферийной поверхности изоляционного кольца воздухонепроницаемо присоединен металлический кожух, образующий другую из электродных камер со стороны наружной периферийной поверхности перегородки.

[0005] В серно-натриевых батареях анодная камера выполнена содержащей расплавленный натрий в одной из электродных камер со стороны внутренней периферийной поверхности перегородки, а катодная камера выполнена содержащей расплавленную серу в другой из электродных камер со стороны наружной периферийной поверхности перегородки. Напротив, в солевых батареях с расплавленным натрием катодная камера выполнена содержащей расплавленный хлорид металла в одной из электродных камер со стороны внутренней периферийной поверхности перегородки, а анодная камера выполнена содержащей расплавленный натрий в другой из электродных камер со стороны наружной периферийной поверхности перегородки.

[0006] Перегородка, отделяющая анодную камеру и катодную камеру друг от друга, подвергается воздействию давлений, оказываемых с противоположных сторон, а именно, давлений, действующих изнутри катодной камеры, и давлений, действующих изнутри анодной камеры. Таким образом, перегородка деформируется давлениями, эквивалентными разности между этими двумя давлениями. Составляющий перегородку бета-глинозем обладает такими свойствами, что он стоек к раздавливанию, но слабо выдерживает растягивание, т.е. свойствами, которые характерны для керамического материала. Следовательно, для перегородки нужно было найти такие условия эксплуатации и конфигурации, которые делали бы как можно меньшими действующие на нее растягивающие напряжения. Снижение давлений со стороны внутренней периферийной поверхности в большей степени, чем давлений со стороны наружной периферийной поверхности, позволяет удерживать вышеупомянутую имеющую дно и открытую на верхнем конце трубку, сформированную в конфигурации пробирки, в состоянии, где на любую часть перегородки действуют сжимающие силы, а растягивающие силы на нее не действуют. Еще одна подходящая конфигурация перегородки предусматривает пластинчатую перегородку, раскрытую в официальной публикации нерассмотренной японской патентной заявки (KOKAI) № 50-38030. Пластинчатая перегородка имеет внешнюю форму в виде пластины и включает мелкоперфориванные анодные камеры, проходящие параллельно друг другу во внутреннем пространстве. Пластинчатая перегородка удерживается внутри катодной камеры и используется при таких условиях, что анодные камеры, которые находятся внутри перегородки, испытывают меньшее давление по сравнению с давлением на катодную камеру снаружи. Таким образом, перегородка приводится в состояние, при котором на пластинчатую часть перегородки действуют сжимающие силы, за исключением крышечной части, а растягивающие силы на пластинчатую часть не действуют.

[0007] Изготовленная из бета-глинозема перегородка подразумевает другие перегородки пластинчатой формы, которые являются составной частью серно-натриевых батарей, раскрытых в патентной литературе или т.п., и которые предусматривают анодную камеру с одной из противоположных сторон и катодную камеру – с другой из противоположных сторон. Однако эти серно-натриевые батареи были непрактичными. То есть, изгибающие напряжения, действующие на пластинчатую перегородку, вызывают растягивающие напряжения, действующие на одну из противолежащих боковых поверхностей в пластинчатой перегородке, заставляя инженеров-конструкторов осмыслять те случаи, когда перегородки разрушались.

Соответствующая техническая литература

Патентная литература

[0008] Патентный документ № 1: официальная публикации нерассмотренной японской патентной заявки (KOKAI) № 6-196204; и

Патентный документ № 2: официальная публикации нерассмотренной японской патентной заявки (KOKAI) № 50-38030

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача, решаемая изобретением

[0009] Перегородку, включающую имеющую дно и открытую на верхнем конце трубку с конфигурацией пробирки, изготавливают присоединением кольца из альфа-глинозема к трубке из бета-глинозема на верхнем конце стеклообразным соединяющим агентом, а затем присоединением металлических элементов к кольцу из альфа-глинозема со стороны внутренней периферийной поверхности и со стороны наружной периферийной поверхности соответственно. В этом случае трубка из бета-глинозема, имеющая широкое отверстие на верхнем конце, должна быть соединена с кольцом из альфа-глинозема по обширной площади соединения и даже в двух местах. Следовательно, такое соединение требует высокой технической квалификации.

[0010] Перегородка пластинчатой формы, включающая анодную камеру в своем внутреннем пространстве, состоит из: пластинчатого тела перегородки, изготовленного из бета-глинозема; и крышки, присоединенной к телу перегородки на верхнем конце, выполненной в форме прямоугольной пластины и изготовленной из альфа-глинозема. В сквозное отверстие, которое выполнено в крышке приблизительно на центральном участке, вставляют металлическую трубку. Затем промежуток между наружной периферийной поверхностью этой трубки и внутренней периферийной поверхностью сквозного отверстия заполняют соединяющим агентом, присоединяя трубку к крышке. Между тем, металлический контейнер катодной камеры имеет конфигурацию коробки, образованной в форме прямоугольного параллелепипеда, открытого на верхнем конце. Изготовленное из бета-глинозема пластинчатое тело перегородки вставляют в металлический контейнер катодной камеры. Затем промежуток между наружной периферийной поверхностью в прямоугольной пластинчатой крышке перегородки и верхней внутренней периферийной поверхностью в металлическом контейнере катодной камеры, покрывающей наружную периферийную поверхность в крышке, заполняют соединяющим агентом, присоединяя крышку к металлическому контейнеру катодной камеры. Пластинчатая перегородка имеет образованные с прямоугольной конфигурацией поверхности соединения, боковые части которых являются линейными и длинными. Соответственно, также представляется, что уплотнение между составляющими трубку и контейнер металлами и составляющими тело перегородки и крышку керамическими материалами могло бы быть повреждено из-за действия больших разъединяющих напряжений, которые известны как напряжения в биметалле, между соединенными металлами и керамическими материалами. Следовательно, такой способ герметизации является плохим в плане практичности.

[0011] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить следующее: перегородку для батареи с расплавленным натрием, обеспечивающую легко создаваемое уплотнение между пластинчатой перегородкой, включающей анодную камеру в своем внутреннем пространстве, и металлическим катодным контейнером, заключающим пластинчатую перегородку в своем внутреннем пространстве, с образованием воздухонепроницаемой катодной камеры; и батарею с расплавленным натрием, содержащую такую перегородку.

Средства решения задачи

[0012] Перегородка для батареи с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению содержит: имеющее пластинчатую форму тело перегородки, размещенное внутри металлического катодного контейнера, включающего соединитель, который имеет отверстие, позволяющее сообщаться внутреннему пространству катодного контейнера с его внешним окружением, которое включает: анодную камеру приблизительно на его центральном участке в направлении по его толщине, и сквозное отверстие, соединяющее анодную камеру с внешним окружением анодной камеры, и изготовленное из бета-глинозема; и головку, вставленную в отверстие в соединителе, выполненную заодно с телом перегородки, включающую проточный канал, который сообщается с анодной камерой посредством сквозного отверстия, воздухонепроницаемо присоединенную к соединителю катодного контейнера и выполненную из керамического материала. Кроме того, батарея с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению содержит: расплавленный натрий, образующий активный материал анода; активный материал катода; натриевый контейнер, заключающий в себе расплавленный натрий; перегородку, включающую анодную камеру в своем внутреннем пространстве; и катодный контейнер, воздухонепроницаемо заключающий в себе активный материал катода и перегородку; и при этом батарея с расплавленным натрием дополнительно содержит: катодный контейнер, включающий соединитель, который имеет отверстие, позволяющее сообщаться внутреннему пространству катодного контейнера с его внешним окружением, и выполненный из металла; и перегородку, включающую: имеющее пластинчатую форму тело перегородки, размещенное внутри катодного контейнера, которое включает: анодную камеру приблизительно на его центральном участке в направлении по его толщине, и сквозное отверстие, соединяющее анодную камеру с внешним окружением анодной камеры, и изготовленное из бета-глинозема; и головку, вставленную в отверстие в соединителе, выполненную заодно с телом перегородки, включающую проточный канал, который сообщается с анодной камерой посредством сквозного отверстия, воздухонепроницаемо присоединенную к соединителю и выполненную из керамического материала.

Компоненты, действия и преимущества изобретения

[0013] Предложенная батарея с расплавленным натрием содержит расплавленный натрий, образующий активный материал анода, активный материал катода и натриевый контейнер, заключающий в себе расплавленный натрий. Кроме того, адаптируемый активный материал катода включает расплавленные серу или галогенид металла.

[0014] Батарея с расплавленным натрием и перегородка для батареи с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению включает перегородку, которая состоит из: тела перегородки, имеющего пластинчатую форму и изготовленного из бета-глинозема; и головки, выполненной заодно с телом перегородки, воздухонепроницаемо присоединенной к соединителю в катодном контейнере и изготовленной из керамического материала. То есть, конструкция уплотнения между перегородкой и катодным контейнером преобразована в новую конструкцию уплотнения между головкой в перегородке и соединителем в катодном контейнере. Следовательно, новая конструкция уплотнения позволяет поверхностям уплотнения иметь цилиндрическую форму или кольцевую форму и, кроме того, позволяет им иметь меньший диаметр, делая возможной простую герметизацию между перегородкой и катодным контейнером с высокой воздухонепроницаемостью.

[0015] Кроме того, перегородка для батареи с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению содержит тело перегородки, толщина которого вдвое превышает собственно функциональную толщину перегородки, которое служит в качестве твердого электролита и через которое проходят ионы натрия. Следовательно, тело перегородки проявляет высокое сопротивление изгибающему напряжению, которое пропорционально квадрату его толщины. То есть, тело перегородки проявляет высокую прочность на изгиб, которая является в четыре или более раза большей, чем у традиционных перегородок, функциональная толщина которых точно такая же или равная их собственной толщине.

[0016] Перегородка для батареи с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению содержит тело перегородки и головку. Тело перегородки имеет форму пластины, которая включает анодную камеру приблизительно на его центральном участке в направлении по его толщине и изготовлена из бета-глинозема. Здесь следует отметить, что выражение «изготовлен из бета-глинозема» подразумевает тело перегородки, все части которого выполнены из бета-глинозема, и тело перегородки, основная часть которого состоит из бета-глинозема, а другая часть частично выполнена из иного керамического материала, нежели бета-глинозем, такого как альфа-глинозем.

[0017] Выражение «форма пластины, которая включает анодную камеру приблизительно на центральном участке в направлении по толщине тела перегородки» подразумевает, что пластинчатая конфигурация включает: пластинчатый передний элемент, размещенный на передней по толщине стороне; пластинчатый задний элемент, размещенный на задней по толщине стороне; и центральный элемент, размещенный в середине и включающий анодную камеру, которая размещена приблизительно на центральном участке, простираясь тонкой внутри рамки, образующей окружную кромку. Анодная камера обычно используется при пониженном давлении и подвергается воздействию давлений, таких как атмосферные давления, которые действуют на пластинчатый передний элемент и пластинчатый задний элемент на наружной лицевой стороне. Таким образом, давления действуют на пластинчатый передний элемент и пластинчатый задний элемент так, чтобы выпячивать их в сторону анодной камеры, а именно, чтобы сминать анодную камеру. Чтобы сделать анодную камеру выдерживающей эти давления, анодная камера штатно выполнена из множественных деталей с туннельными промежутками, отделенных друг от друга интервалами и проходящих параллельно друг другу; или надлежащим образом снабжена столбиками, размещенными с заданными интервалами между пластинчатым передним элементом и пластинчатым задним элементом.

[0018] Пластинчатый передний элемент и пластинчатый задний элемент тела перегородки исполняют функцию перегородки, через которую проходят ионы натрия. Поэтому как передняя поверхность, так и задняя поверхность в пластинчатом переднем элементе и пластинчатом заднем элементе тела перегородки действуют соответственно как лицевые поверхности перегородки. Следовательно, тело перегородки согласно настоящему изобретению становится имеющим большую функциональную лицевую поверхность, которая вдвое превышает лицевую поверхность традиционных пластинчатых перегородок, не содержащих какой-либо анодной камеры в своем внутреннем пространстве.

[0019] Кроме того, тело перегородки имеет такую толщину стенки, через которую проникают ионы натрия, то есть толщину, которую имеет пластинчатый передний элемент или пластинчатый задний элемент. При этом тело перегородки имеет толщину, которая представляет собой сумму толщины пластинчатого переднего элемента, толщины пластинчатого заднего элемента и толщины анодной камеры в середине, и становится в два или более раза большей, чем толщина стенки, через которую проходят ионы натрия. При допущении, что толщина стенки, через которую проникают ионы натрия, является толщиной обычной перегородки, тело перегородки имеет увеличенную толщину, которая в два или более раза больше, чем толщина обычной перегородки. То есть, имеющее бóльшую в два или более раза толщину тело перегородки противостоит механическим напряжениям, таким как изгибающие напряжения, например, с прочностью, которая является более стойкой к изгибающим напряжениям в четыре или более раз, чем обычные, традиционные пластинчатые перегородки.

[0020] Сквозное отверстие, соединяющее анодную камеру с внешним окружением, предпочтительно предусмотрено в окружной кромке тела перегородки, а именно, в имеющем форму рамки элементе в середине. Однако сквозное отверстие также может быть предусмотрено штатно в пластинчатом переднем элементе или пластинчатом заднем элементе.

[0021] Следует отметить, что пригодное для применения тело перегородки включает в себя традиционные пластинчатые перегородки, которые включают анодную камеру приблизительно посередине в направлении по толщине, без какого-либо изменения.

[0022] Головка выполнена заодно с телом перегородки и образована в форме выступа с проточным каналом, который сообщается с анодной камерой, и изготовлена из керамического материала. Головка воздухонепроницаемо присоединена к катодному контейнеру на соединителе. Головка обеспечивает функцию крышки, закрывающей соединитель, который образует проток, ведущий наружу из катодного контейнера, наряду с функцией крепления перегородки внутри катодного контейнера. Головка также штатно выполнена из такого же бета-глинозема, как и тело перегородки, или же должным образом выполнена из другого керамического материала, иного, нежели бета-глинозема, такого как, например, альфа-глинозем.

[0023] Головка имеет конфигурацию с проточным каналом приблизительно на центральном участке, а предпочтительно имеет цилиндрическую форму с осевым отверстием приблизительно на центральном участке. Головка предпочтительно имеет ведущий конец, выступающий из тела перегородки, и основной конец (основание), выполненный(ое) заодно с телом перегородки на окружной кромке. Головка штатно имеет наружную периферийную поверхность, наружный диаметр которой является постоянным; форму кругового усеченного конуса, ведущий конец которого является меньшим; или выступ или углубление кольцевой формы, имеющие диаметр, который становится частично большим или, напротив, меньшим, в осевом направлении.

[0024] Головка предпочтительно имеет наружный диаметр, равный или больший, чем толщина тела перегородки. Увеличенный наружный диаметр повышает механическую прочность головки в целом. Головка, которая присоединена к имеющему цилиндрическую форму соединителю катодного контейнера, будучи вставленной в катодный контейнер, позволяет катодному контейнеру удерживать тело перегородки за головку. Соответственно, движения катодного контейнера передаются телу перегородки через головку, так что на головку и на пограничную часть между головкой и телом перегородки действуют большие напряжения. Следовательно, необходимо сформировать головку и тело перегородки настолько большими и прочными, чтобы они выдерживали большие напряжения в пограничной части. Однако здесь следует отметить, что тело перегородки изготовлено большим и прочным, имея толщину, которая в два или более раз превышает толщину обычных, традиционных пластинчатых перегородок, как описано выше. Поэтому тело перегородки обеспечивает возможность формирования также относительно крупной головки и позволяет головке выдерживать большие напряжения в пограничной части между головкой и телом перегородки.

[0025] Более конкретно, головка предпочтительно выполнена в форме ниппеля, включающего выступ с осевым отверстием. Кроме того, соединитель предпочтительно выполнен в форме колпачка, закрывающего ниппелеобразную головку, и включающего отверстие, которое открывает окружную кромку головки с осевым отверстием. Колпачкообразный соединитель катодного контейнера присоединен к ниппелеобразной головке на наружной периферийной поверхности. Таким образом, создается препятствие от проникновения газов и жидкостей, таких как водные компоненты, между внутренним пространством и внешним окружением катодной камеры по границе раздела между наружной периферийной поверхностью в присоединенной ниппелеобразной головке и внутренней периферийной поверхностью в прилегающем колпачкообразном соединителе.

[0026] Наружная периферийная поверхность в ниппелеобразной головке имеет по меньшей мере один кольцевой паз, проходящий вокруг наружной периферийной поверхности и служащий также в качестве газового резервуара для пытающихся утекать газов. Кроме того, чтобы эта ниппелеобразная головка легко присоединялась к колпачкообразному соединителю, предпочтительно выполняется обработка металлизацией, такая как термическое напыление никеля, наружной периферийной поверхности в ниппелеобразной головке.

[0027] Хотя проточный канал в ниппелеобразной головке может быть идентичным проточному каналу в обычных, традиционных пластинчатых перегородках, в объектах по настоящему изобретению проточный канал предусмотрен приблизительно на осевом центральном участке в ниппелеобразной головке. Проточный канал предпочтительно делает осевое отверстие концентрическим относительно наружной периферийной поверхности в ниппелеобразной головке. В проточный канал вставлен и соединен с ним тонкотрубчатый фитинг, содержащий металлическую трубку, через которую протекает расплавленный натрий. Таким образом, цилиндрическая ниппелеобразная головка выполняет функцию изолятора, который электрически изолирует друг от друга тонкотрубчатый фитинг (который вставлен в проточный канал головки) и колпачкообразный соединитель (который присоединен к наружной периферийной поверхности головки).

[0028] Тонкотрубчатый фитинг должен быть уплотнен в проточном канале в ниппелеобразной головке с высокой воздухонепроницаемостью. Однако одна из поверхностей уплотнения предпочтительно представляет собой наружную периферийную поверхность тонкотрубчатого фитинга, наружный диаметр которого практически равен внутреннему диаметру внутренней периферийной поверхности проточного канала, диаметр которого составляет приблизительно от 2 до 5 мм. В таком случае диаметр уплотнения, сделанный меньшим между тонкотрубчатым фитингом и проточным каналом, облегчает герметизацию между ними.

[0029] Кроме того, головка предпочтительно включает двухступенчатую куполообразную головку, включающую верхнюю ступенчатую часть, имеющую верхнюю поверхность, снабженную осевым отверстием, и нижнюю ступенчатую часть, имеющую кольцевую поверхность, образующие стык в виде кольцевого соединителя, включающего кольцевую часть. К кольцеобразно ступенчатой поверхности в двухступенчатой куполообразной головке присоединен катодный контейнер по нижней кольцевой поверхности в кольцевой части кольцевого соединителя. Более конкретно, кольцевой соединитель предпочтительно выполнен в виде шляповидной конфигурации, включающей цилиндрическую стенку, простирающуюся вниз от кольцевой части на окружной кромке. Шляповидный соединитель катодного контейнера, который присоединен к двухступенчатой куполообразной головке пластинчатой перегородки, препятствует проникновению газов и жидкостей, таких как водные компоненты, между внутренним пространством и внешним окружением катодного контейнера. Кольцевую ступенчатую поверхность гребневидной головки и кольцевую верхнюю часть шляповидного соединителя соединяют следующим образом: сначала куполообразную головку накрывают шляповидным соединителем; затем кольцевую верхнюю часть куполообразной головки просовывают через центральное отверстие или проем в кольцевой верхней части шляповидного соединителя, приводя кольцеобразно ступенчатую поверхность куполообразной головки в контакт с кольцевой верхней частью шляповидной головки на внутренней боковой поверхности; и затем кольцеобразно ступенчатую поверхность куполообразной головки и кольцевую верхнюю часть шляповидного соединителя наконец нагревают, прижимая из друг к другу и выдерживая их при заданной температуре с одновременным приложением к ним заданного прижимающего усилия снаружи от кольцевой верхней части шляповидного соединителя.

[0030] Верхняя поверхность с осевым отверстием в двухступенчатой куполообразной головке соединяется с тонкотрубчатым фитингом, который содержит: кольцеобразно фланцованную часть, образованную с такой формой, как форма верхней поверхности двухступенчатой куполообразной головки; и тонкотрубчатый фитинг, возвышающийся от кольцеобразно фланцованной части. Подобно соединению между шляповидным соединителем и куполообразной головкой, сначала верхнюю поверхность куполообразной головки приводят в контакт с фланцованной частью тонкотрубчатого фитинга и затем накрывают шляповидным соединителем; и верхнюю поверхность и фланцованную часть нагревают, прижимая их друг к другу и выдерживая их при заданной температуре с одновременным приложением заданного прижимающего усилия к фланцованной части тонкотрубчатого фитинга для прижатия фланцованной части к верхней поверхности головки.

[0031] Двухступенчатая куполообразная головка, шляповидный соединитель и тонкотрубчатый фитинг предпочтительно соединяют друг с другом одновременно за один раз. Кроме того, головку, которая отделена от тела перегородки, более предпочтительно присоединяют к шляповидному соединителю и тонкотрубчатому фитингу.

[0032] Изготовление тела пластинчатой перегородки с анодной камерой во внутреннем пространстве или изготовление перегородки, содержащей тело перегородки и головку, делают возможным путем формирования пластинчатого переднего элемента и пластинчатого заднего элемента, каждый из которых получается разделением тела перегородки пополам поверхностью, пролегающей через анодную камеру по существу посередине по толщине пластины, и затем соединением пластинчатого переднего элемента и пластинчатого заднего элемента друг с другом для их объединения. Объединение штатно осуществляют во время сборки спеканием, а именно, спекают и одновременно скрепляют друг с другом неспеченные прессовки, которые находятся в состоянии перед спеканием до преобразования в пластинчатый передний элемент и пластинчатый задний элемент; или же его осуществляют надлежащим образом соединением пластинчатого переднего элемента и пластинчатого заднего элемента, которые были подвергнуты спеканию, с помощью соединяющего агента. Следует отметить, что использование поверхностей, которые образованы поверхностями полости пресс-формы при формовании неспеченных прессовок, в качестве тех поверхностей, по которым неспеченные прессовки соединяют друг с другом, позволяет легко повысить размерную точность соединяемых пластинчатых переднего и заднего элементов на соединяемых поверхностях.

[0033] Тело перегородки или перегородка предпочтительно дополнительно содержит соединительный элемент в форме столбика (или распорку), установленный (вставленную) между пластинчатым передним элементом и пластинчатым задним элементом. Кроме того, тело перегородки или перегородка также сформированы предпочтительно таким способом, как использование сгораемой пресс-формы, которая выжигается и исчезает с образованием анодной камеры.

[0034] Металлический катодный контейнер представляет собой компонент, который заключает и фиксирует пластинчатую перегородку в своем внутреннем пространстве наряду с образованием катодной камеры, которая окружает пластинчатую перегородку по окружности. Используемый для изготовления катодного контейнера металл включает такие металлы, как нержавеющие стали и алюминиевые сплавы, которые проявляют стойкость к коррозии в расплавленной сере и расплавленном полисульфиде натрия.

[0035] Катодный контейнер содержит соединитель, позволяющий сообщаться внутреннему пространству катодной камеры с ее внешним окружением. Как было описано ранее, соединитель прикреплен к головке пластинчатой перегородки, воздухонепроницаемо герметизируя внутреннее пространство и внешнее окружение катодной камеры. Выполнение головки в форме ниппеля позволяет сформировать соединитель в форме колпачка. Способ, применяемый для соединения наружной периферийной поверхности ниппелеобразной головки с внутренней периферийной поверхностью колпачкообразного соединителя, включает один или два или более из следующих способов: применение воскового средства, такого как стеклопорошковые соединяющие агенты и серебряные пасты; применение способа термосоединения под давлением; осуществление горячей посадки нагреванием отдельно колпачкообразного соединителя и затем надеванием нагретого колпачкообразного соединителя на ниппелеобразную головку, которая поддерживается холодной; и натягивание колпачкообразного соединителя на наружную периферийную поверхность и вокруг нее посадкой с натягом.

[0036] Следующие этапы работы обеспечивают возможность легкого соединения между головкой и соединителем: соединитель, который изготовлен отдельным от корпуса катодного контейнера, присоединяют к корпусу катодного контейнера; и после этого соединитель объединяют с корпусом катодного контейнера с помощью устройства лазерной сварки или тому подобного. Кроме того, настоящее изобретение позволяет оснастить часть корпуса катодного контейнера, которая присутствует вокруг соединителя, легкосъемным средством, имеющим форму сильфона или тому подобного, чтобы сделать соединитель и корпус катодного контейнера разъемными относительно друг друга. Применимое легкосъемное средство включает устройство, содержащее колесовидную металлическую пластинку, которая сформована включающей концентрически размещенные кольцевое углубление и кольцевой выступ, сильфон или гибкую трубку. В дополнение, настоящее изобретение позволяет снабдить внутреннюю периферийную поверхность катодного контейнера направляющей, регулирующей или контролирующей положения тела перегородки в перегородке, или снабдить внутреннюю периферийную поверхность расширительным средством, прижимающим тело перегородки к ниппелеобразной головке для регулирования или контроля положений тела перегородки.

[0037] В батарее с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению требуется натриевый контейнер, содержащий внутри себя большую часть расплавленного натрия. Поскольку предлагаемая батарея с расплавленным натрием включает анодную камеру, образованную во внутреннем пространстве пластинчатой перегородки, анодная камера имеет малый объем. Между тем, поскольку данная батарея с расплавленным натрием представляет собой батарею, пригодную для высокоемкостного разряда, ей необходим большой объем расплавленного натрия. Натриевый контейнер, который сообщается с анодной камерой через тонкотрубчатый фитинг, удерживает в себе большой объем расплавленного натрия.

[0038] В батарее с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению и катодной камере, и анодной камере, в том числе натриевому контейнеру, требуется воздухонепроницаемость высокой степени. Более того, данная батарея с расплавленным натрием подвергается изменению температуры приблизительно на 50°С при каждом цикле, во время которого она работает в режима заряда и разряда. Следовательно, анодная камера и катодная камера эксплуатируется при пониженном давлении. Предложенная батарея с расплавленным натрием содержит заключенную в катодной камере перегородку и образованную внутри перегородки анодную камеру. Чтобы на перегородку не действовали растягивающие напряжения, давление в анодной камере предпочтительно поддерживается на более низком уровне, чем давление в катодной камере. Например, давление в анодной камере предпочтительно доводится до уровня разрежения, близкого к вакууму.

[0039] Следует отметить, что батарея с расплавленным натрием согласно настоящему изобретению содержит в своем составе, в дополнение к анодной камере и катодной камере, другие конструктивные элементы батареи, которые в принципе идентичны конструктивным элементам традиционных серно-натриевых батарей и солевых батарей с расплавленным натрием.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0040] Фиг. 1 представляет собой изображение в вертикальном разрезе серно-натриевой батареи согласно первому варианту исполнения;

Фиг. 2 – изображение в разрезе, на котором фиг. 1 частично увеличена;

Фиг. 3 – частичный вид сверху перегородки, изображение которой в разрезе проиллюстрировано на фиг. 2;

Фиг. 4 – изображение в вертикальном разрезе основной части в серно-натриевой батарее согласно второму варианту исполнения;

Фиг. 5 – изображение в вертикальном разрезе основной части перегородки, изображение которой в разрезе проиллюстрировано на фиг. 4 и которая рассматривается в таком направлении, как если показанная на фиг. 4 перегородка повернута на 90 градусов; и

Фиг. 6 – изображение в вертикальном разрезе основного участка в серно-натриевой батарее согласно третьему варианту исполнения.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

(Описание вариантов осуществления)

[0041] Далее настоящее изобретение будет описано более конкретно, с представлением вариантов исполнения серно-натриевой батареи согласно настоящему изобретению.

Первый вариант исполнения

[0042] Далее на основе фигур 1-3 будет описана серно-натриевая батарея 1 согласно первому варианту исполнения по настоящему изобретению. Здесь следует отметить, что фиг. 1 иллюстрирует серно-натриевую батарею 1 в вертикальном разрезе; фиг. 2 иллюстрирует увеличенный вид ее основной части в разрезе; и фиг. 3 иллюстрирует вид сверху частичного фрагмента ее перегородки 11.

[0043] Батарея 1 содержит в своем составе следующие основные конструктивные элементы: перегородку 11; катодный контейнер 12; натриевый контейнер 13; анодную камеру 110, образованную в виде внутреннего пространства в перегородке 11; катодную камеру 120, заключающую перегородку 11 внутри внутреннего пространства в катодном контейнере 12; расплавленный натрий 14, содержащийся внутри анодной камеры 110 и внутри натриевого контейнера 13 и образующий активный материал анода; расплавленную серу 15, заключенную в катодной камере 120 и образующую активный материал катода; тонкотрубчатый фитинг 16, обеспечивающий сообщение анодной камеры 110 с внутренним пространством в натриевом контейнере 12; и изолятор 17, проложенный между катодным контейнером 12 и натриевым контейнером 13 и электрически изолирующий их обоих друг от друга. Батарея 1, в которой расплавленная сера 15 используется в качестве активного материала катода, образует серно-натриевую батарею.

[0044] Перегородка 11 включает пластинчатое тело 111 перегородки и ниппелеобразную головку 117, оба из которых выполнены целиком из бета-глинозема. Тело 111 перегородки включает: передний элемент 112; задний элемент 113; рамкообразный элемент 114; столбчатый элемент 115 в количестве 81 штука. Тело 111 перегородки имеет форму квадратной пластины, имеющей размеры приблизительно 100 мм по каждой из длины и ширины и приблизительно 2 мм в толщину. Передний элемент 112 и задний элемент 113 имеют квадратную конфигурацию, имеющую размеры 100 мм по каждой из длины и ширины и 2 мм в толщину. Рамкообразный элемент 114 имеет квадратную конфигурацию, имеющую размеры приблизительно 100 мм по каждой из длины и ширины, 2 мм в высоту и 2 мм в толщину, и размещен между передним элементом 112 и задним элементом 113. Столбчатые элементы 115 имеют форму столбика с наружным диаметром 2 мм и толщиной 2 мм и размещены между передним элементом 112 и задним элементом 113 с равными интервалами.

[0045] Ниппелеобразная головка 117 включает верхний элемент 118 и нижний элемент 119, создавая конфигурацию, образованную двухступенчатым столбчатым выступом, как его наружная боковая поверхность показана на фиг. 3. Верхний элемент 118 имеет столбчатую форму с наружным диаметром приблизительно 10 мм и высотой 8 мм. Нижний элемент 119 имеет столбчатую форму с наружным диаметром приблизительно 13 мм и высотой 12 мм. Следует отметить, что нижний элемент 119, который выполнен заодно с телом 111 перегородки, на некоторой части наружной периферийной поверхности частично закрыт телом 111 перегородки, как проиллюстрировано на фиг. 3. Кроме того, ниппелеобразная головка 117 дополнительно включает сквозное отверстие 1175, образованное верхней частью 1176 осевого отверстия и нижней частью 1177 осевого отверстия. Верхняя часть 1176 осевого отверстия имеет внутренний диаметр приблизительно 4 мм и длину приблизительно 5 мм. Нижняя часть 1177 осевого отверстия имеет внутренний диаметр приблизительно 3 мм и длину приблизительно 7 мм. Нижняя часть 1177 осевого отверстия открывается в анодную камеру 110.

[0046] Ниппелеобразная головка 117 включает нижний элемент 119, который выполнен заодно не только с боковой торцевой поверхностью тела 111 перегородки, но и с поверхностями переднего элемента 112 и заднего элемента 113, связывающими с боковой торцевой поверхностью. Таким образом, нижний элемент 119 выглядит составляющим некоторую часть тела 111 перегородки. В результате этого ниппелеобразная головка 117 и тело 111 перегородки являются в высокой степени объединенными.

[0047] Перегородку 11 получают следующим образом: заранее прокаливают оксид натрия и альфа-глинозем, чтобы синтезировать бета-глинозем; получившийся бета-глинозем гранулируют с получением тонкого порошка бета-глинозема; полученный тонкий порошок бета-глинозема используют для формования неспеченной прессовки передней стороны и неспеченной прессовки задней стороны, которые разделяют тело 11 перегородки пополам приблизительно посередине в направлении по толщине; полученные неспеченные прессовки передней стороны и задней стороны объединяют друг с другом с образованием неспеченной прессовки перегородки; и получившуюся неспеченную прессовку перегородки спекают. Следует отметить, что адаптируемый процесс изготовления предпочтительно включает стадии, на которых: формуют каждую из разделенных пополам граней неспеченной прессовки передней стороны и неспеченной прессовки задней стороны с помощью пресс-формы; и выполняют формование под давлением передней грани и задней грани с использованием резиновой формы. В подвергнутой спеканию перегородке 11 предпочтительно формуют ниппелеобразную головку 117 имеющей слегка увеличенную наружную периферийную поверхность; сквозное отверстие 1175 предпочтительно формуют имеющим слегка меньшую внутреннюю периферийную поверхность; и ступенчатые поверхности, которые находятся между наружными периферийными поверхностями в верхнем элементе 118 и нижнем элементе 119 ниппелеобразной головки 117, и сквозное отверстие 1175 предпочтительно подвергают точной механической обработке шлифованием или тому подобным для большей размерной точности.

[0048] Катодная камера 12 содержит корпус 121 контейнера, выполненный в форме прямоугольного параллелепипеда, и колпачок 122, выполненный заодно на верхней поверхности корпуса 121 контейнера. Корпус 121 контейнера имеет размеры приблизительно 105 мм по каждой из длины и ширины и приблизительно 50 мм в толщину. Колпачок 122 имеет наружный диаметр приблизительно 12 мм, внутренний диаметр приблизительно 10 мм и высоту приблизительно 10 мм. Катодный контейнер 12 образован из листа нержавеющей стали, толщина которого составляет приблизительно 1 мм. Более конкретно, катодный контейнер 12 образован из трех частей, а именно, верхней крышечной части 123, включающей колпачок 122, нижней крышечной части (не показана) в корпусе 121 контейнера и корпусной части 124, отличной от верхней крышечной части 123 и нижней крышечной части, в корпусе 121 контейнера.

[0049] Верхнюю крышечную часть 123 и перегородку 11 объединяют друг с другом следующим образом: сначала верхнюю крышечную часть 123, включающую колпачок 122, устанавливают на верхний элемент 118 ниппелеобразной головки 117, пока нижний конец колпачка 122 не придет в контакт с верхней торцевой поверхностью нижнего элемента 119 ниппелеобразной головки 117; и затем наружную периферийную поверхность верхнего элемента 118 и внутреннюю периферийную поверхность колпачка 122 соединяют друг с другом горячей посадкой и термосваркой под давлением.

[0050] Следует отметить, что до или после операции соединения свободный конец более короткой части 162 тонкотрубчатого фитинга 16 вставляют в верхнюю часть 1176 осевого сквозного отверстия 1175 в верхнем элементе 118 головки 117 в перегородке 11, и затем эту более короткую часть 162 и верхнюю часть 1176 осевого отверстия соединяют между собой.

[0051] Кроме того, верхнюю крышечную часть 123, с которой соединена перегородка 11, и корпусную часть 124 объединяют друг с другом лазерной сваркой. В дополнение, готовят войлокообразный токоотвод (не показан), который имеет размеры приблизительно 100 мм по каждой из длины и ширины и приблизительно 18 мм в толщину и который состоит из пропитанных серой углеродных волокон. Приготовленный таким образом войлокообразный токоотвод вставляют в противоположные стороны перегородки 11, которая удерживается внутри корпуса 121 контейнера, через открытое дно корпусной части 124. Наконец, корпусную часть 124 и нижнюю крышечную часть объединяют друг с другом лазерной сваркой, с образованием катодного контейнера 12.

[0052] Натриевый контейнер 13 представляет собой контейнер, который снабжен выемкой. Натриевый контейнер 13 выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда и имеет размеры приблизительно 50 мм по каждой из длины и толщины и приблизительно 105 мм в ширину. Выемка находится на одном из противолежащих торцов, на нижней стороне натриевого контейнера 13, и выполнена в форме прямоугольного параллелепипеда, имеющего высоту приблизительно 20 мм, длину приблизительно 25 мм и ширину приблизительно 50 мм. Натриевый контейнер 13 выполнен из листа нержавеющей стали, толщина которого составляет приблизительно 1 мм.

[0053] Тонкотрубчатый фитинг 16 представляет собой тонкую трубку, имеющую диаметр 3 мм и толщину приблизительно 1 мм и изготовленную из нержавеющей стали. Тонкотрубчатый фитинг 16 содержит: более длинную часть 161, один из противоположных концов которой имеет расширенный диаметр, и более короткую часть 162 с концом, диаметр которого сужается вниз и вставлен в конец с расширенным диаметром более длинной части 161. Как проиллюстрировано на фиг. 1, тонкотрубчатый фитинг 16 воздухонепроницаемо приварен к одному из противоположных концов натриевого контейнера 13 так, что более длинная часть 161 проходит сквозь верхнюю поверхность натриевого контейнера 13 с выполненной в нем выемкой, и изогнут в виде перевернутой буквы «U», что делает другой из противоположных концов размещенным рядом с внутренней донной поверхностью натриевого контейнера 13. Как проиллюстрировано на фиг. 2, тонкотрубчатый фитинг 16 дополнительно воздухонепроницаемо присоединен так, что более короткая часть 162 вставлена в часть 1176 осевого сквозного отверстия 1175 в ниппелеобразной головке 117. Когда натриевый контейнер 13 собирают с катодным контейнером 12, более длинную часть 161 и более короткую часть 162 тонкотрубчатого фитинга 16, а также натриевый контейнер 13 и ниппелеобразную голову 117 соединяют друг с другом следующим образом: каждую из более длинной части 161 и более короткой части 162 коаксиально вставляют свободным концом в сопряженную деталь; и после этого каждый из коаксиально вставленных свободных концов и сопряженной детали сращивают друг с другом нагреванием.

[0054] Изолятор 17, который включает лист, имеющий толщину приблизительно 3 мм и изготовленный из неорганических волокон, проложен между катодным контейнером 12 и натриевым контейнером 13 для обеспечения электрической изоляции между ними обоими.

[0055] После того, как катодный контейнер 12 собран с натриевым контейнером 13, в натриевый контейнер 13 вводят расплавленный натрий через непоказанную заливную трубку. Затем внутренние пространства натриевого контейнера 13 и анодной камеры 110 приводят в близкое к вакууму состояние удалением воздуха из натриевого контейнера 13 и анодной камеры 110, и наконец, закрывают заливную трубку.

[0056] После этого из внутреннего пространства катодного контейнера 12 удаляют воздух через непоказанную трубку деаэратора. Затем трубку деаэратора закрывают после того, как давление в анодной камере 110 было снижено в большей степени, чем давление в катодной камере 120.

[0057] Серно-натриевая батарея согласно первому варианту исполнения сконструирована так, как описано выше. Данный натрий-ионный аккумулятор, который нагревают до приблизительно 300°С и у которого катодный контейнер 12 и натриевый контейнер 13, образующие соответственно катодный вывод и анодный вывод, подключают к внешней нагрузке, действует в таком же режиме, как и обычные серно-натриевые батареи.

[0058] В серно-натриевой батарее согласно первому варианту исполнения катодная камера 120 воздухонепроницаемо герметизируется от внешнего окружения в одном месте, а именно, на уплотнении между наружной периферийной поверхностью ниппелеобразной головки 117 перегородки 11 и внутренней периферийной поверхностью колпачка 122 катодного контейнера 12. То есть, катодная камера 120 герметизирована воздухонепроницаемо снаружи в одном месте, а именно, коаксиальным цилиндрическим простым уплотнением между столбчатым ниппелем и цилиндрическим колпачком. При этом легко обеспечивается не только конечная отделка цилиндрической поверхности уплотнения, но и придание ей повышенной размерной точности. Следовательно, легко достигается герметизация катодной камеры 120 воздухонепроницаемо от внешнего окружения. В частности, ниппелеобразная головка 117 и колпачок 122, который подвергается горячей посадке с механическим натягом на ниппелеобразную головку 117, обеспечивают преимущество придания меньшей вероятности отслаивания поверхностей уплотнения от подложек.

[0059] Кроме того, верхнюю крышечную часть 123 с колпачком 122 согласно первому варианту исполнения надевают на верхний элемент 118 ниппелеобразной головки 117 перегородки 11 до тех пор, пока нижний конец колпачка 122 не придет в контакт с верхней торцевой поверхностью нижнего элемента 119 ниппелеобразной головки 117. Соответственно, деформации, которые возникают между перегородкой 11 и катодным контейнером 12, концентрируются на нижнем конце колпачка 122 и на верхней торцевой поверхности нижнего элемента 119 ниппелеобразной головки 117, но с меньшей вероятностью возникают на наружной периферийной поверхности верхнего элемента 118 ниппелеобразной головки 117, присоединенной к колпачку 122, и на внутренней периферийной поверхности колпачка 122, присоединенного к ниппелеобразной головке 117. Таким образом, поверхности соединения между колпачком 122 и ниппелеобразной головкой 117 с меньшей вероятностью будут отслаиваться друг от друга.

[0060] В дополнение, ниппелеобразную головку 117, которая составлена верхним элементом 118, соединенным с колпачком 122, и нижним элементом 119, сделанным более толстым, чем верхний элемент 118, присоединяют более толстым нижним элементом 110 к телу 111 перегородки. Таким образом, ниппелеобразная головка 117 создает прочную конфигурацию против напряжений, действующих между ниппелеобразной головкой 117 и телом 111 перегородки.

[0061] Кроме того, пластинчатое тело 111 перегородки, которое могло бы быть ослабленным в отношении механических напряжений, сохраняется в таком состоянии, как плавающее внутри анодной камеры 110. Соответственно, пластинчатое тело 111 перегородки поддерживается при условиях, когда растягивающие напряжения, такие как напряжения изгиба или изгибающие усилия, отчасти действуют на него с меньшей вероятностью. Следовательно, пластинчатое тело 111 перегородки составляет новую перегородку, которая является настолько долговечной, что шансы ее разрушения низки.

Второй вариант исполнения

[0062] Далее на основе фигур 4 и 5 будет описана серно-натриевая батарея 2 согласно второму варианту исполнения по настоящему изобретению. Серно-натриевая батарея 2 содержит модифицированную перегородку 21 вместо перегородки 11 серно-натриевой батареи 1 согласно первому варианту исполнения. Далее будет главным образом описываться перегородка 21, поскольку серно-натриевая батарея 2 содержит в своем составе такие же конструктивные элементы, как и серно-натриевой батареи 1, кроме перегородки 21.

[0063] Фиг. 4 иллюстрирует вертикальный разрез основной части серно-натриевой батареи 2. Фиг. 5 иллюстрирует главный конструктивный элемент основной части, проиллюстрированной изображением в разрезе на фиг. 4, а именно перегородку 21, в еще одном виде в разрезе, в котором проиллюстрированная на фиг. 4 серно-натриевая батарея 2 рассматривается в таком направлении, как если повернуть ее на 90 градусов относительно показанного на фиг. 4 вида в разрезе.

[0064] Перегородка 21 содержит пластинчатое тело 211 перегородки, выполненное из бета-глинозема, и ниппелеобразную головку 217, выполненную из альфа-глинозема. Тело 211 и головка 217 перегородки объединены соединением их воедино друг с другом с помощью стеклянного припоя.

[0065] Тело 211 перегородки содержит передний элемент 212, задний элемент 213, рамкообразный элемент 214 и столбчатый элемент 215 в количестве 81 штука. Передний элемент 212 и задний элемент 213 выполнены в форме квадратной пластины, имеющей размеры приблизительно 100 мм по каждой из длины и ширины и приблизительно 6 мм в толщину. Рамкообразный элемент 214 выполнен в форме квадратной пластинки, имеющей размеры приблизительно 100 мм по каждой из длины и ширины, 2 мм в высоту и 2 мм в толщину, и размещен между передним элементом 212 и задним элементом 213. Столбчатые элементы 215 выполнены в форме столбика с наружным диаметром 2 мм и толщиной 2 мм и размещены с равными интервалами между передним элементом 212 и задним элементом 213. Промежуточное пространство между передним элементом 212 и задним элементом 213 образует анодную камеру 210. В рамкообразном элементе 214 образован сквозное отверстие 2140, которое образует проточный канал, обеспечивающий сообщение анодной камеры 210 с внешним окружением.

[0066] Такой же способ изготовления, как и описанный в первом варианте исполнения для изготовления перегородки 11, позволяет изготовить тело 211 перегородки.

[0067] Ниппелеобразная головка 217 содержит столбчатый верхний элемент 218 и столбчатый нижний элемент 219, образующие конфигурацию двухступенчатого столбчатого выступа, вид которого в вертикальном разрезе проиллюстрирован на фиг. 5. Верхний элемент 218 имеет наружный диаметр приблизительно 10 мм и высоту приблизительно 8 мм. Нижний элемент 219 имеет наружный диаметр приблизительно 13 мм и высоту приблизительно 12 мм.

[0068] Около середины в нижней поверхности нижнего элемента 219 сформирован паз 2190. Паз 2190 пересекает обе прямоугольных в сечении боковых поверхности нижнего элемента 219. Паз 2190 имеет ширину приблизительно 6 мм и глубину приблизительно 10 мм. К пазу 2190 присоединено тело 211 перегородки одним из противоположных торцов, в котором сформировано сквозное отверстие 2140.

[0069] В верхнем элементе 218 ниппелеобразной головки 217 выполнено сквозное отверстие 2175. Сквозное отверстие 2175 одним из своих противоположных концов выходит в верхний элемент 218 ниппелеобразной головки 217, а другим из своих противоположных концов выходит в паз 2190. Сквозное отверстие 2175 состоит из верхней части 2176 осевого отверстия и нижней части 2177 осевого отверстия. Верхняя часть 2176 осевого отверстия имеет внутренний диаметр приблизительно 4 мм и глубину приблизительно 5 мм. Нижняя часть 2177 осевого отверстия имеет внутренний диаметр приблизительно 3 мм и глубину приблизительно 7 мм.

[0070] Следующие процессы изготовления обеспечивают возможность получения ниппелеобразной головки 217: формирование столбчатой неспеченной прессовки, выполненной из альфа-глинозема и имеющей размер, который чуть бóльше, чем заданные размеры; придание формы неспеченной прессовке механической обработкой; спекание прессовки с приданной формой; и затем конечная отделка спеченной прессовки до заданных размеров механической обработкой.

[0071] Перегородка 21 получается присоединением ниппелеобразной головки 217 одним из противоположных торцов, в котором образовано сквозное отверстие 2140, к телу 211 перегородки с помощью стеклянного припоя.

[0072] Точно так же, как в случае перегородки 11 согласно первому варианту исполнения, перегородка 21 также содержит ниппелеобразную головку 217, объединенную толстым нижним элементом 219 с телом 211 перегородки. Таким образом, толстый нижний элемент 219 усиливает целостность между ниппелеобразной головкой 217 и телом 211 перегородки.

[0073] Описания того, как построена серно-натриевая батарея 2 согласно второму варианту исполнения, здесь сокращены, поскольку она построена идентично серно-натриевой батарее 1 согласно первому варианту исполнения.

[0074] Способ изготовления перегородки 21 серно-натриевой батареи 2, который включает стадии: разделения перегородки 21 на две составных части, тело 21 перегородки и ниппелеобразное тело 217; и после этого соединение двух составных частей, является эффективным при применении способа формовки, в котором в процессе электрофоретического осаждения получают только неспеченную прессовку с практически одинаковой толщиной стенки.

Третий вариант исполнения

[0075] Далее на основе фиг. 6 будет описана серно-натриевая батарея 3 согласно третьему варианту исполнения по настоящему изобретению. Серно-натриевая батарея 3 содержит модифицированную перегородку 31, модифицированный катодный контейнер 32 и модифицированный тонкотрубчатый фитинг 36 вместо перегородки 11, катодного контейнера 12 и тонкотрубчатого фитинга 16 серно-натриевой батареи 1 согласно первому варианту исполнения. Другие конструкционные элементы серно-натриевой батареи 3 идентичны таковым в серно-натриевой батарее 1.

[0076] Фиг. 6 иллюстрирует вертикальный разрез основной части серно-натриевой батареи 3. Следует отметить, что показанный на фиг. 6 вид в разрезе соответствует разрезу при рассматривании в таком направлении, как если повернуть показанный на фиг. 4 разрез на 90 градусов. То есть, направление рассматривания идентично направлению, в котором рассматривается фиг. 5.

[0077] Перегородка 31 содержит пластинчатое тело 311 перегородки, выполненное из бета-глинозема, и ниппелеобразную головку 317, выполненную из альфа-глинозема. Тело 311 перегородки и головка 317 соединены воедино друг с другом стеклянным припоем.

[0078] Тело 311 перегородки имеет форму квадратной пластины и включает передний элемент 312, задний элемент 313, рамкообразный элемент 314 и столбчатые элементы 315. Промежуточное пространство между передним элементом 312 и задним элементом 313 образует анодную камеру 310. В рамкообразном элементе 314 образовано сквозное отверстие 3140, которое образует некую часть проточного канала, обеспечивающего сообщение анодной камеры 310 с внешним натриевым резервуаром или контейнером. Следует отметить, что тело 311 перегородки идентично телу 211 перегородки согласно второму варианту исполнения.

[0079] Головка 317 имеет форму двухступенчатой куполообразной головки и содержит верхнюю ступенчатую часть 318 и нижнюю ступенчатую часть 319. Верхняя ступенчатая часть 318 включает осевое отверстие 3170 наряду с верхней поверхностью 3181. Нижняя ступенчатая часть 319 включает кольцевую поверхность 3191 заплечика.

[0080] Осевое отверстие 3170 в головке 317 включает верхнее осевое отверстие 3171 и нижнее осевое отверстие 3172. Верхнее осевое отверстие 3171 имеет внутренний диаметр 6 мм и глубину 7 мм. Нижнее осевое отверстие 3172 проходит вниз концентрически с верхним осевым отверстием 3171 и имеет внутренний диаметр 3 мм и глубину 8 мм. Верхняя ступенчатая часть 318 головки 317 имеет наружный диаметр 16 мм и высоту 5 мм. Нижняя ступенчатая часть 319 головки 317 имеет наружный диаметр 27 мм и высоту 26 мм. Кольцевая поверхность 3191 заплечика в нижней ступенчатой части 319 имеет внутренний диаметр 16 мм, наружный диаметр 27 мм и ширину 5,5 мм.

[0081] Нижняя ступенчатая часть 319 снабжена контактным пазом 3190 на нижнем конце. Контактный паз 3190 имеет центр, совпадающий с центральной осью нижней ступенчатой части 319, имеет ширину 6 мм и глубину 16 мм и открыт на противоположных концах. Осевое отверстие 3170 выходит на верхнюю поверхность контактного паза 3190. Головка 317 имеет зеркально-симметричную конфигурацию относительно центральной оси осевого отверстия 3170 и делает двухступенчатую головку куполообразной с высотой 31 мм.

[0082] Головку 317 также получают тем же самым способом изготовления, как и вышеописанный способ для головки 217 согласно второму варианту исполнения. Перегородка 31 получается присоединением головки 317 с помощью стеклянного припоя к одному из противоположных концов тела 311 перегородки, в котором образовано сквозное отверстие 3140. Перегородка 31 подобным образом содержит головку 317, объединенную толстой нижней ступенькой 319 с телом 311 перегородки таким же образом, как и перегородка 21 согласно второму варианту исполнения. Таким образом, толстая нижняя ступенчатая часть 319 повышает целостность между головкой 317 и телом 311 перегородки.

[0083] Катодный контейнер 32 содержит корпус 321 контейнера и шляповидный соединитель 322, выполненный заодно с участком верхней поверхности корпуса 321 контейнера. Корпус 321 контейнера выполнен в форме прямоугольного параллелепипеда с размерами приблизительно 105 мм по каждой из длины и ширины и приблизительно 50 мм в высоту. Шляповидный соединитель 322 включает верхнюю грань 3221 и цилиндрическую стенку 3222. Верхняя грань 3221 с наружным диаметром 28 мм снабжена отверстием, имеющим диаметр 16 мм. Цилиндрическая стенка 3222 с наружным диаметром 28 мм и высотой 5 мм проходит вниз от окружной кромки верхней грани 3221. Кроме того, катодный контейнер 32 выполнен из листа нержавеющей стали с толщиной приблизительно 1 мм.

[0084] Более конкретно, катодный контейнер 32 содержит две части, а именно верхнюю крышечную часть, содержащую шляповидный соединитель 322, и корпусную часть контейнера, за исключением верхней крышечной части и/или шляповидного соединителя 322. Здесь следует отметить, что шляповидный соединитель 322 включает верхнюю грань 3221 и цилиндрическую стенку 3222.

[0085] Соединение между верхней крышечной частью, включающей шляповидный соединитель 322, и головкой 317 перегородки 31 достигается следующим способом. Сначала верхнюю крышечную часть устанавливают шляповидным соединителем 322 на головку 317 перегородки 322. Затем головку 317 проталкивают верхней ступенчатой частью 318 через отверстие в верхней грани 3221 шляповидного соединителя 322. Кроме того, верхнюю грань 3221 приводят в контакт нижней поверхностью с кольцевой поверхностью 3191 заплечика в нижней ступенчатой части 319 головки 317, присоединяя шляповидный соединитель 322 к головке 317 перегородки 31. При данных обстоятельствах внутренняя периферийная поверхность цилиндрической стенки 3222 шляповидного соединителя 322 и наружная периферийная поверхность нижней ступенчатой части 319 головки 317 устанавливаются коаксиально друг с другом. Кроме того, верхнюю крышечную часть, включающую шляповидный соединитель 322, фиксируют и удерживают на головке 317 перегородки 31. Таким образом, верхняя грань 3221 в зафиксированном таким методом и удерживаемом шляповидном соединителе 322 прочно удерживается на кольцевой поверхности 3191 заплечика нижней ступенчатой части 319 головки 317.

[0086] К шляповидному соединителю 322, который находится в вышеописанных условиях, прилагают заданное прижимающее усилие от обращенной вверх поверхности верхней грани 3221 шляповидного соединителя 322, прижимая верхнюю грань 3221 к кольцевой поверхности 3191 заплечика в нижней ступенчатой части 319 головки 317. Шляповидный соединитель 322 и головку 317, которые находятся в условиях сжатия, нагревают до заданной температуры и затем выдерживают в нагретом состоянии в течение заданного времени, соединяя шляповидный соединитель 322 нижней поверхностью на верхней грани 3221 и кольцевую поверхность головки 317 в нижней ступенчатой части 319 друг с другом за счет термодиффузии. Тем самым перегородку 31 соединяют с верхней крышкой катодного контейнера 32.

[0087] Одновременно с вышеописанным соединением более короткую часть 362 тонкотрубчатого фитинга 36 присоединяют к кольцевой верхней поверхности 3181 в верхней ступенчатой части 318 головки 317 за счет термодиффузии. Тонкотрубчатый фитинг 36 состоит из двух частей, а именно более длинной части 361 и более короткой части 362. Более длинная часть 361 идентична более длинной части тонкотрубчатого фитинга 16 согласно первому варианту исполнения. Как проиллюстрировано на фиг. 6, более короткая часть 362 тонкотрубчатого фитинга 36 содержит концевой сегмент 363, выполненный в форме отбортованной воронки, и тонкотрубчатый сегмент 364, выполненный в форме трубки. Воронкообразный концевой сегмент 363 включает кольцевой фланец 3631 и ножку 3632, наружная периферийная конфигурация которой выполнена в виде кругового усеченного конуса. Ножка 3632 на своем нижнем конце объединена с нижним концом тонкотрубчатого сегмента 364 сваркой в таких условиях, чтобы разместить ее осевую сердцевину концентрически с тонкотрубчатым сегментом 364.

[0088] Как проиллюстрировано на фиг. 6, тонкотрубчатый фитинг 36 присоединен более короткой частью 362 к верхней ступенчатой части 318 головки 317 за счет термодиффузии. Более конкретно, ножку 3632 воронкообразного концевого сегмента 363 вставляют в верхнее осевое отверстие 3171 в верхней ступенчатой части 318 головки 317. Затем обращенную вниз поверхность фланца 3631 более короткой части 362 приводят в контакт с кольцевой верхней поверхностью 3181 верхней ступенчатой части 318. Наконец, предварительно собранный таким образом тонкотрубчатый фитинг 36 и головку 317 нагревают при заданной температуре с приложением заданного прижимающего усилия к верхней поверхности фланца 3631, соединяя фланец 3631 его обращенной вниз поверхностью с кольцевой верхней поверхностью 3181 верхней ступенчатой части 318 за счет термодиффузии.

[0089] Верхнюю крышку и корпус 321 катодного контейнера 32 объединяют друг с другом следующим образом. Сначала в корпус 321 контейнера помещают изготовленный из углеродных волокон войлок, пропитанный серой. Затем вставляют перегородку 31 в корпус 321 контейнера, а затем устанавливают верхнюю крышку на корпус 321 контейнера. После этого корпус 321 контейнера и верхнюю крышку объединяют лазерной сваркой или соединяют обжатием.

[0090] Серно-натриевая батарея 3 согласно третьему варианту исполнения построена так, как описано выше. Перегородка 31 и катодный контейнер 32 серно-натриевой батареи 3 объединены шляповидным соединителем 322 катодного контейнера 32. Шляповидный соединитель 322 содержит верхнюю грань 3221 и цилиндрическую стенку 3222. Верхняя грань 3221 объединена с кольцевой поверхностью 3191 заплечика в нижней ступенчатой части 319 головки 317 перегородки 31, а цилиндрическая стенка 3222 объединена с верхним участком наружной периферийной поверхности в нижней ступенчатой части 319. Соответственно, верхний участок наружной периферийной поверхности в нижней ступенчатой части 319 и цилиндрическая стенка 3222 шляповидного соединителя 322 первыми подвергаются деформациям, таким как относительные деформации, которые действуют между перегородкой 31 и катодным контейнером 32. Следовательно, деформации, такие как относительные деформации, которые действуют между перегородкой 31 и катодным контейнером 32, не воздействуют непосредственно на кольцевую поверхность 3191 заплечика и верхнюю грань 3221, составляющие поверхности соединения. Таким образом, шляповидный соединитель 322 снижает вероятности разрушения объединенных перегородки 31 и катодного контейнера 32 по поверхностям соединения.

[0091] Подобным же образом, верхнее осевое отверстие 3171 в верхней ступенчатой части 318 и круглая ножка 3632 в форме усеченного конуса в тонкотрубчатом фитинге 36 первыми подвергаются деформациям, таким как относительные деформации, которые действуют между перегородкой 31 и натриевым контейнером 13.

[0092] Следовательно, деформации, такие как относительные деформации, которые действуют между перегородкой 31 и натриевым контейнером 13, не воздействуют непосредственно на поверхности соединения, образованные между кольцевой верхней поверхностью 3181 в верхней ступенчатой части 319 и фланцем 3631 воронкообразного концевого сегмента 363. Таким образом, верхнее осевое отверстие 3171 и ножка 3632 снижают вероятности разрушения объединенных перегородки 31 и натриевого контейнера 32 по поверхностям соединения.

Разъяснение ссылочных позиций

[0093] 1, 2 или 3 – серно-натриевая батарея;

11, 21 или 31 – перегородка;

12 или 32 – катодный контейнер;

13: натриевый контейнер;

16 или 36 – тонкотрубчатый фитинг;

111, 211 или 311 – тело перегородки;

117 или 217 – ниппель;

121: корпус контейнера; и

122: колпачок

Изобретение относится к батарее с расплавленным натрием, обеспечивающей легко выполняемую герметизацию между пластинчатой перегородкой, включающей анодную камеру в своем внутреннем пространстве, и металлическим катодным контейнером, заключающим внутри себя пластинчатую перегородку с образованием воздухонепроницаемой катодной камеры; и саму пластинчатую перегородку. Перегородка 11 включает: имеющее пластинчатую форму тело 111 перегородки, размещенное внутри металлического катодного контейнера 12, который включает колпачок 122 цилиндрической формы, позволяющий сообщаться внутреннему пространству с внешним окружением, которое включает в себя: анодную камеру 110 приблизительно на центральном участке в направлении по толщине и сквозное отверстие 1175, и изготовлено из бета-глинозема; и ниппелеобразную головку 117, выполненную заодно с перегородкой 111, включающую проточный канал 1176, который сообщается с анодной камерой 110 посредством сквозного отверстия 1175, воздухонепроницаемо присоединенную к колпачку 122 и изготовленную из керамического материала. Техническим результатом является улучшение герметизации между перегородкой и катодным контейнером с высокой воздухонепроницаемостью. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Перегородка для батареи с расплавленным натрием, содержащая:

имеющее пластинчатую форму тело перегородки, размещенное внутри металлического катодного контейнера, включающего соединитель, который имеет отверстие, позволяющее сообщаться внутреннему пространству катодного контейнера с его внешним окружением, которое включает в себя: анодную камеру приблизительно на его центральном участке в направлении по его толщине, и сквозное отверстие, соединяющее анодную камеру с внешним окружением анодной камеры, и изготовлено из бета-глинозема; и

головку, вставленную в отверстие в соединителе, выполненную заодно с телом перегородки, включающую проточный канал, который сообщается с анодной камерой посредством сквозного отверстия, воздухонепроницаемо присоединенную к соединителю катодного контейнера и выполненную из керамического материала.

2. Перегородка для батареи с расплавленным натрием по п.1, в которой:

соединитель имеет цилиндрическую форму; и

головка имеет форму ниппеля, присоединенного к верхней периферийной поверхности соединителя цилиндрической формы.

3. Перегородка для батареи с расплавленным натрием по п.1, в которой:

соединитель содержит часть, включающую упомянутое отверстие, и кольцевую соединительную поверхность, ограничивающую упомянутое отверстие; и

головка содержит центральную часть, включающую упомянутый проточный канал, и другую часть, находящуюся вокруг центральной части и включающую кольцевую соединительную поверхность, соединенную с упомянутой соединительной поверхностью соединителя.

4. Перегородка для батареи с расплавленным натрием по п.3, в которой:

соединитель имеет форму шляпки, содержащей верхний торец, включающий часть, которая имеет упомянутую кольцевую соединительную поверхность, и цилиндрическую стенку, проходящую вниз от окружной кромки верхней грани; и

головка содержит верхнюю ступенчатую часть, включающую упомянутый проточный канал, и нижнюю ступенчатую часть, находящуюся вокруг верхней ступенчатой части и включающую кольцевую соединительную поверхность, соединенную с упомянутой соединительной поверхностью соединителя.

5. Перегородка для батареи с расплавленным натрием по одному из пп. 1-4, в которой керамический материал содержит по меньшей мере один элемент, выбранный из группы, состоящей из бета-глинозема и альфа-глинозема.

6. Перегородка для батареи с расплавленным натрием по одному из пп. 1-5, в которой по меньшей мере тело перегородки содержит переднюю часть и заднюю часть, разделенные воображаемой поверхностью, проходящей через анодную камеру, и объединено соединением передней части и задней части непосредственно или посредством соединительного элемента.

7. Перегородка для батареи с расплавленным натрием по одному из пп. 1-5, в которой по меньшей мере анодная камера сформирована с помощью сгораемой пресс-формы.

8. Батарея с расплавленным натрием, содержащая: расплавленный натрий, образующий активный материал анода; активный материал катода; натриевый контейнер, заключающий в себе расплавленный натрий; перегородку, включающую анодную камеру в своем внутреннем пространстве; и катодный контейнер, воздухонепроницаемо заключающий в себе активный материал катода и перегородку;

причем батарея с расплавленным натрием дополнительно содержит:

катодный контейнер, включающий соединитель, который имеет отверстие, позволяющее сообщаться внутреннему пространству катодного контейнера с его внешним окружением, и выполненный из металла; и

перегородку, включающую:

имеющее пластинчатую форму тело перегородки, размещенное внутри катодного контейнера, которое включает в себя: анодную камеру приблизительно на его центральном участке в направлении по его толщине, и сквозное отверстие, соединяющее анодную камеру с внешним окружением анодной камеры, и изготовленное из бета-глинозема; и

головку, вставленную в отверстие в соединителе, выполненную заодно с телом перегородки, включающую проточный канал, который сообщается с анодной камерой посредством сквозного отверстия, воздухонепроницаемо присоединенную к соединителю и выполненную из керамического материала.

9. Батарея с расплавленным натрием по п. 8, дополнительно содержащая металлическую трубку, сообщающуюся с проточным каналом в головке, для сообщения натриевого контейнера с анодной камерой.

10. Батарея с расплавленным натрием по п. 8 или 9, в которой активный материал катода содержит расплавленную серу или галогенид металла.