用于均勻的溫度分布的形狀配合的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的制造方法
【專利說明】用于均勻的溫度分布的形狀配合的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置
[0001] 本發(fā)明涉及一種電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置，其具有用陽(yáng)極材料填充的陽(yáng)極空間以及用陰 極材料填充的陰極空間，其中，陽(yáng)極空間通過離子導(dǎo)電或離子傳導(dǎo)的固體電解質(zhì)與陰極空 間分隔開，并且其中，陽(yáng)極空間在一側(cè)至少部分地通過固體電解質(zhì)限定，并且在另一側(cè)至少 部分地由至少部分包圍固體電解質(zhì)的壁限定，其中，電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置具有頂部、與所述頂 部相對(duì)布置的底部和至少一個(gè)包括至少一個(gè)壁的側(cè)部，在所述頂部上能夠輸入或者輸出電 能，所述側(cè)部布置在頂部與底部之間。本發(fā)明還涉及一種用于制造這種電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置 的方法。
[0002] 在此描述和要求保護(hù)的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置設(shè)計(jì)為高溫存儲(chǔ)器裝置，其要求至少 100°C的最小溫度作為運(yùn)行溫度。運(yùn)行溫度尤其在200°C至350°C之間，其中，運(yùn)行溫度必須 高到使得由電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置所包圍的固體電解質(zhì)具有足夠的離子導(dǎo)電能力，以便具有用 于電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的盡可能小的內(nèi)阻。同樣可以考慮更高的運(yùn)行溫度，例如高達(dá)500°C。 本發(fā)明涉及的典型電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置是例如基于鈉氯化鎳電池（NaNiCl2電池）或者鈉硫 電池（NaS電池）技術(shù)的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置。在此已知這些電池的不同實(shí)施形式。
[0003] 基于鈉氯化鎳電池技術(shù)的傳統(tǒng)電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的結(jié)構(gòu)具有在放電運(yùn)行中設(shè)計(jì) 為陽(yáng)極的負(fù)電極，其陽(yáng)極材料在運(yùn)行溫度下以液態(tài)鈉的形式存在。液態(tài)鈉在運(yùn)行中通常填 充陽(yáng)極空間的一部分。放電運(yùn)行中的設(shè)計(jì)為陰極的正電極具有陰極空間，其至少部分由適 當(dāng)材料（如鎳）與同樣適當(dāng)?shù)柠}混合地（如NaCl)以及其它適當(dāng)?shù)奶砑觿ㄈ鏏lCl3或者 NaAlCl4)填充。這些材料的混合物在電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的運(yùn)行溫度下通常至少部分以液態(tài) 電解質(zhì)的形式存在。
[0004] 陽(yáng)極空間和陰極空間由固體電解質(zhì)分隔開，其作為陶瓷分隔器只允許離子通過。 固體電解質(zhì)不允許除離子以外的其它物質(zhì)交換。使用在鈉氯化鎳電池中的典型固體電解 質(zhì)包括P-Al2O3或者0"-Al2O3作為陶瓷材料。所述陶瓷材料具有針對(duì)Na+離子的特殊離 子導(dǎo)電能力，所述Na+離子可以在陽(yáng)極空間與陰極空間之間根據(jù)電勢(shì)差運(yùn)輸穿過固體電解 質(zhì)。在充電運(yùn)行或放電運(yùn)行中進(jìn)行的反應(yīng)例如由以下反應(yīng)方程（放電從左向右；充電從右 向左）產(chǎn)生：
[0005]
[0006] 在平衡狀態(tài)下，可在陽(yáng)極與陰極之間形成約為2. 58V的電壓。
[0007] 為了增大貼靠在固體電解質(zhì)上的陽(yáng)極材料的可實(shí)現(xiàn)離子交換的主動(dòng)表面，通常在 陽(yáng)極空間中布置彈簧板，所述彈簧板部分貼靠在固體電解質(zhì)上并且部分貼靠在包圍所述固 體電解質(zhì)的壁上。彈簧板與固體電解質(zhì)平均只間隔很小的距離，因此在陽(yáng)極材料以液相存 在的運(yùn)行溫度下，陽(yáng)極材料通過毛細(xì)作用在固體電解質(zhì)與彈簧板之間這樣克服重力作用運(yùn) 動(dòng)，使得其處于陽(yáng)極空間內(nèi)的在運(yùn)行中所處的填充高度之上。即使在電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的 陽(yáng)極材料填充高度相對(duì)較小時(shí)，也可以增大與固體電解質(zhì)接觸的陽(yáng)極材料的活性表面。因 此在陽(yáng)極空間內(nèi)的剩余陽(yáng)極材料的填充高度面上方也能充分地利用固體電解質(zhì)，其中，在 電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置運(yùn)行時(shí)使得存儲(chǔ)器裝置的內(nèi)阻下降。
[0008] 然而，盡管具有這種技術(shù)預(yù)防措施，由于設(shè)計(jì)上的原因還是不能確保陽(yáng)極材料的 這樣與固體電解質(zhì)接觸的薄膜具有充分均勻的厚度分布。在充電和放電運(yùn)行時(shí)的電流中， 在被陽(yáng)極材料附著或潤(rùn)濕的固體電解質(zhì)區(qū)域上出現(xiàn)熱分布不均的情況。根據(jù)陽(yáng)極空間中的 填充高度，在電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置按照運(yùn)行定向時(shí)，在底部區(qū)域內(nèi)，熱量從固體電解質(zhì)通過液 態(tài)金屬向外朝側(cè)部導(dǎo)出，其中，在電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的頂部區(qū)域內(nèi)，由于陽(yáng)極空間未被陽(yáng)極 材料完全填充，所以熱量只能通過在其它情況下尚填充有氣體的陽(yáng)極空間上部區(qū)域?qū)С觥?因此，在底部區(qū)域中，可以通過液態(tài)金屬直接向外朝側(cè)部導(dǎo)引熱量，這比通過氣體區(qū)域在頂 部區(qū)域內(nèi)間接傳熱明顯更加有利。
[0009] 因此，在電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的電負(fù)載較高時(shí)，可能形成不期望的溫度梯度，它們可 能在固體電解質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。這種應(yīng)力又不利地影響電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的使用壽命。 因此例如已知的是，尤其是熱負(fù)荷較大的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置比在較小的用于充放電的電流 密度下運(yùn)行的存儲(chǔ)器裝置具有明顯更短的循環(huán)使用壽命。然而這以不期望的程度限制了電 化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的針對(duì)預(yù)定應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)的功率密度并且同時(shí)也降低了以此技術(shù)為基礎(chǔ)的 存儲(chǔ)器裝置的靈活性和可使用性。
[0010] 如果例如在配設(shè)有這種電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的模塊中其所包括的存儲(chǔ)器裝置發(fā)生 故障，則業(yè)已證明，這種故障的絕大部分歸因于電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置內(nèi)部的短路。因此導(dǎo)致 陽(yáng)極材料與陰極材料直接發(fā)生反應(yīng)或者電勢(shì)差崩塌，因?yàn)楣腆w電解質(zhì)在損壞之后允許在很 大程度上基本上自由的物質(zhì)交換或者形成導(dǎo)電的短接。由于存儲(chǔ)器裝置內(nèi)的電化學(xué)短路， 所述存儲(chǔ)器裝置不能再貢獻(xiàn)連接有存儲(chǔ)器裝置的模塊的總電壓的一部分，由此使模塊的總 電壓下降。在各單個(gè)的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置在模塊中串聯(lián)時(shí)，這只導(dǎo)致可明顯預(yù)見到的總電 壓下降。然而，在多個(gè)模塊并聯(lián)時(shí)，可能形成混合電勢(shì)，其使得由于個(gè)別電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置 的故障而被預(yù)損壞的模塊承受更高的充電或放電電流密度，因此已經(jīng)存在于個(gè)別電化學(xué)存 儲(chǔ)器裝置中的損壞可能更嚴(yán)重。一個(gè)結(jié)果可能是在已經(jīng)預(yù)損壞的、也就是在配設(shè)有一個(gè)或 多個(gè)已經(jīng)短路的存儲(chǔ)器裝置的模塊中的個(gè)別電化學(xué)存儲(chǔ)裝置產(chǎn)生更多故障以及因此最終 導(dǎo)致整個(gè)模塊產(chǎn)生故障。另一個(gè)結(jié)果可能是連接在一起的模塊的可使用的存儲(chǔ)容量持續(xù)下 降，因?yàn)槟K在沒有出現(xiàn)故障的存儲(chǔ)器裝置的情況下由于形成的混合電勢(shì)只還能部分地充 電或者放電。
[0011] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種能夠避免現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)的電化學(xué) 存儲(chǔ)器裝置。尤其提供允許有利地冷卻或放熱的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置。此外期望的是，將在 固體電解質(zhì)與陽(yáng)極材料之間的接觸區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的熱盡可能均勻地向外朝側(cè)部排出。在此應(yīng) 在很大程度上避免溫度梯度。此外期望的是，只以較少的耗費(fèi)使用用于傳統(tǒng)的電化學(xué)存儲(chǔ) 器裝置的構(gòu)件，以便由此能夠提供可有利地朝向側(cè)部排放熱量的實(shí)施形式。本發(fā)明所要解 決的技術(shù)問題同樣在于，提供一種用于制造這種電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的方法。
[0012] 按照本發(fā)明，所述技術(shù)問題通過按照權(quán)利要求1所述的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置以及按 照權(quán)利要求14和15所述的用于制造這種電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的方法解決。
[0013] 本發(fā)明的技術(shù)問題尤其通過一種電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置解決，其在常規(guī)運(yùn)行中具有用 陽(yáng)極材料填充的陽(yáng)極空間以及用陰極材料填充的陰極空間，其中，陽(yáng)極空間通過離子導(dǎo)電 的固體電解質(zhì)與陰極空間分隔開，并且其中，陽(yáng)極空間在一側(cè)至少部分地通過固體電解質(zhì) 限定，并且在另一側(cè)至少部分地由包圍固體電解質(zhì)的壁限定，其中，電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置具有 頂部、與所述頂部相對(duì)布置的底部和至少一個(gè)包括至少一個(gè)壁的側(cè)部，在所述頂部上能夠 輸入或者輸出電能，所述側(cè)部布置在頂部與底部之間，其中，在壁與固體電解質(zhì)之間設(shè)計(jì)有 至少一個(gè)第一區(qū)域和第二區(qū)域，所述兩個(gè)區(qū)域在壁與固體電解質(zhì)的相應(yīng)距離方面不同。
[0014] 本發(fā)明的技術(shù)問題還通過一種用于制造電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置、尤其是之前描述的以 及之后描述的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的方法解決，所述方法包括以下步驟：
[0015] -提供離子導(dǎo)電的固體電解質(zhì)；
[0016] -提供壁；
[0017] -成型壁并且
[0018] -用成型的壁這樣包圍固體電解質(zhì)，使得當(dāng)電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置制造完成時(shí)在壁與 固體電解質(zhì)之間形成陽(yáng)極空間的至少一個(gè)第一區(qū)域和陽(yáng)極空間的第二區(qū)域，所述兩個(gè)區(qū)域 分別在壁與固體電解質(zhì)的距離方面不同。
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)問題還通過一種用于制造電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置、尤其是之前描述的以 及之后描述的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的方法解決，所述方法包括以下步驟：
[0020] _提供具有形狀改變部分以及離子導(dǎo)電性的固體電解質(zhì)；
[0021] -提供壁；
[0022] -用壁這樣包圍固體電解質(zhì)，使得當(dāng)電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置制造完成時(shí)在壁與固體電 解質(zhì)之間形成陽(yáng)極空間的至少一個(gè)第一區(qū)域和陽(yáng)極空間的第二區(qū)域，所述兩個(gè)區(qū)域分別在 壁與固體電解質(zhì)的距離方面不同。
[0023] 按照基于鈉氯化鎳電池技術(shù)的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的一種典型的有利實(shí)施形式，陽(yáng) 極材料是鈉。
[0024] 按照基于鈉氯化鎳電池技術(shù)的電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的一種實(shí)施形式，陰極材料通常 是金屬（Ni)與至少一種鹽（NaCl)和通常至少另一種添加劑（例如AlCl3或者NaAlCl4)的 混合物。鹽或添加劑的混合物至少部分在運(yùn)行溫度下以液態(tài)電解質(zhì)熔化物的形式存在。
[0025] 按照本發(fā)明，固體電解質(zhì)允許陽(yáng)極空間與陰極空間之間的離子交換。然而其中不 包括可理解為流體交換或固體交換的物質(zhì)交換。此外，固體電解質(zhì)通常選擇性地針對(duì)傳導(dǎo) 陽(yáng)極材料的特定離子而設(shè)計(jì)。按照鈉氯化鎳電池技術(shù)，固體電解質(zhì)可以選擇性地對(duì)于Na+離 子具有傳導(dǎo)能力或?qū)щ娦?。但根?jù)不同實(shí)施形式，固體電解質(zhì)也可以選擇性地對(duì)于其它類 型的離子，如Li+離子或者K+離子具有傳導(dǎo)能力或?qū)щ娦浴?br>[0026] 電化學(xué)存儲(chǔ)器裝置的頂部除了用作存儲(chǔ)器裝置的端部還用于使存儲(chǔ)器裝置導(dǎo)電 接觸電導(dǎo)線，以便輸入或