[发明专利]一种电池用异质陶瓷材料的封接方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料领域，具体涉及一种电池用异质陶瓷材料的封接技术。

背景技术

钠电池是一类以金属钠为电极，以Na-beta-Al₂O₃等钠离子导电固体电解质为隔膜的高性能二次电池。以Na/S电池为例，它是以钠和硫分别作为电极负极和正极的活性物质，用Na-beta-Al₂O₃为电解质和正负极隔膜。钠硫电池是特别适用于储能的高性能电池，其优点有高的比能量和比功率，工作温度稳定，以及原材料丰富低廉有利于大规模的生产。早在1965年美国福特公司开始研究这种电池，随后中国、英国、法国、德国及日本相继研究。二十世纪80年代中期，日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司开始主持日本Na/S电池的研发计划，于2003年3月NGK公司开始对Na/S电池产业化生产(A.Okuno,T.Maruyama,H.Rachi,et.al Electrochemical Society of Japan,69^th Conference Lecture Abstract Collection,11,2002,Taku Oshima and Masaharu Kajita,Int.J.Ceram.Technol.1[3]269-276(2004))。TEPCO和NGK公司利用钠硫电池在平衡电网负荷、应急电源、电能质量改善以及可再生能源稳定输出等方面获得了大量的应用。中国科学院上海硅酸盐研究所对钠硫电池的研制、开发、应用做了大量的研究工作(Zhaoyin Wen,et al.Solid State Ionics 179(2008)1697-1701;Zhaoyin Wen,et al.Journal of Power Sources,184(2008)641-645)。目前钠硫电池已经成功地用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。为了保持电极处于熔融的状态，钠硫电池的工作温度为300-350℃左右，钠硫电池中Na-beta-Al₂O₃陶瓷不仅作为电解质，同时还作为分隔正负极物质的隔膜。由于钠和硫在熔融状态下的直接反应非常剧烈甚至可以发生爆炸。所以，在钠硫电池中正负极工作室之间的严格隔离是十分重要的。与电池正负极同时接触的部件有多个，这些部件之间通过各种材料和技术组合在一起。通常组合这些部件的材料必须符合热膨胀系数匹配、化学稳定、抗热震性能好、不漏气等要求。在各种部件及其组合中，绝缘陶瓷α-Al₂O₃和Na-beta-Al₂O₃之间的封接尤为重要，一方面α-Al₂O₃和Na-beta-Al₂O₃均为一定脆性的陶瓷，同时两个部件之间通常采用脆性更大的玻璃进行封接组合。

现阶段，Na/S电池中，在Na-beta-Al₂O₃和α-Al₂O₃之间采用常规的玻璃封接或采用玻璃陶瓷进行封接，Shufeng Song等人(Shufeng Song,et al.Journal of Solid State Electrochem,14(2010)1735-1740;Shufeng Song et al.Ceramics International,35(2009)3037-3042)对以玻璃为粘结剂做了大量的研究工作。专利US2010086846-A1，US2010119847-A1等对玻璃封接材料的组分进行了特殊设计，提出了不同体系的封接玻璃，提高了封接玻璃的稳定性，抗硫腐蚀能力以及封接玻璃的机械性能。然而，由于玻璃两侧材料结构不同、性能差异大，特别是热膨胀系数差异较大，玻璃本身脆性大，电池在高温充放电、热循环过程中，封接玻璃容易开裂。同时，玻璃本身抗腐蚀能力差、工作中成分易挥发、封接强度低等。另一种钠电池钠/氯化物电池（也称ZEBRA电池）则与钠硫电池类似，Na-beta-Al₂O₃和α-Al₂O₃的封接也是关键的工序和技术，其封接性能直接影响电池的安全性和稳定性。