Натрий серный аккумулятор своими руками

Серно-натриевый аккумулятор

Высокотемпературные аккумуляторы. К этому классу относятся аккумуляторы на электрохимических системах натрий-сера, литий-сера, литий-алюминий-сульфид железа, работающие с твёрдым или расплавленным электролитом при температурах 300-450 °С.

Серно-натриевый аккумулятор. С аккумулятором данного типа связывались наибольшие надежды в разработке источников тока для электромобилей, которые по своим энергетическим и экономическим показателям смогли бы составить конкуренцию двигателю внутреннего сгорания.

Серно-натриевый аккумулятор содержит натриевый и серный электроды (рис. 2.11), разделённые твёрдым сепаратором из -глинозёма.

Токообразующая реакция, протекающая при рабочей температуре 300 °С, выражается уравнением

Рис. 2.11. Схематичный разрез серно-натриевого аккумулятора:

1 – натрий; 2 – -глинозём; 3 – сера; 4 – корпус; 5 – уплотнение

По мере разряда в соответствии с фазовой диаграммой системы сера-сульфид натрия могут образовываться полисульфиды различного состава от Na2S3 до Na2S5, причём потенциал серного электрода относительно натриевого электрода при наличии двух фаз (твёрдый полисульфид-жидкая сера) остаётся на уровне 2,07-2,08 В независимо от состава полисульфида.

При разряде натрий окисляется на границе раздела фаз натрий-твёрдый электролит (сепаратор), а ионы натрия движутся через твёрдый электролит в катодную полость, заполненную графитовым волокном с развитой поверхностью для обеспечения эффективного токоподвода к жидкой сере. Твёрдый электролит состава Na2О*11Al203 содержит гексагональные слои со рой шпинелей, содержащих атомы алюминия и кислорода. Ионы натрия, расположенные в плоскости перпендикулярно кристаллу, обладают определённой подвижностью. Значение ионной электропроводности составляет около 0,3 Ом-1*см-1 для монокристалла глинозёма при 300 °С, и в 5-20 раз меньше для поликристаллического образца. Стабилизаторами структуры являются добавки MgO и Li2О с содержанием по массе 2 %; -глинозём обладает униполярной проводимостью, причём при совершенной структуре исключается диффузия металлического натрия через твёрдый электролит.

Работоспособность натриевого электрода определяется процессами, протекающими на границе натриевый электрод-твёрдый электролит. Внешними проявлениями сложных пограничных эффектов являются нелинейность вольтамперной характеристики, асимметрия сопротивления в циклах заряд-разряд, возрастание сопротивления аккумулятора при циклировании. Эти эффекты зависят от полноты смачивания натрием керамики, которое значительно улучшается при покрытии электролитной трубки тонкой плёнкой свинца. Кроме того, причиной ухудшения смачивания является выход некоторых добавок, например Li и Na2О, применяемых на стадии изготовления керамики. В связи с этим дозирование этих добавок (наряду с соответствующим покрытием керамики) является эффективным средством стабилизации работы натриевого электрода.

Основная проблема функционирования серного электрода – потеря ёмкости при циклировании. Если матрица для серного электрода сделана из графитового волокна, то имеет место увеличение сопротивления на границе полисульфида и электролита при заряде; связано это с образованием элементарной серы, экранирующей электролит и препятствующей движению ионов натрия через -глинозем. Имеются несколько путей решения этой проблемы, один из которых использование графитового войлока переменного сопротивления, увеличивающегося по мере уменьшения расстояния до керамики.

Самой существенной проблемой в натрий-серном аккумуляторе является сохранение униполярной проводимости твёрдого электролита (сепаратора). Последний изготовляется в форме дисков или труб, причём трубчатой конструкции отдаётся предпочтение, поскольку только в этом варианте возможно изготовление аккумуляторов больших номиналов. Для аккумулятора ёмкостью 165 А · ч изготовлен трубчатый сепаратор из -глинозёма диаметром 30 и высотой 450-600 мм.

В настоящее время большинство исследователей сходится на том, что для обеспечения длительного ресурса -глинозёма его исходная структура должна быть мелкозернистой, а причина деградации состоит в расклинивающем воздействии жидкого натрия, проникающего в поры сепаратора.

Наружная камера заполняется серой или смесью её с полисульфидом натрия; внутренняя полость сепаратора заполняется натрием высокой чистоты, не содержащим щелочных металлов, ионные примеси которых приводят к растрескиванию -глинозёма. Серьёзной проблемой является также коррозия стального корпуса, обусловливающая блокирование сульфидами железа и никеля контакта серы с -глинозёмом. В качестве материала, устойчивого в контакте с серой, успешно используются хром и молибден. В некоторых конструкциях аккумуляторов, например в аккумуляторе фирмы «Бритиш Рейл», (British Rail), внутренняя полость заполняется серой, а наружная – натрием, что облегчает решение проблемы коррозии корпуса.

Один из уязвимых узлов натрий-серного аккумулятора – уплотнение. В одном из вариантов конструкции сепаратор из -глинозёма заканчивается фланцем, который отделяется от металлического корпуса (катода) кольцами из боросиликатного стекла, окиси алюминия и нитрида бора.

Поскольку серно-натриевый аккумулятор функционирует с потреблением-генерацией тепла, а собственная высокая температура работы требует тепловой изоляции, последнюю необходимо рассматривать с учётом изменения температуры в допустимых пределах. Теплоизоляцию обычно размещают между графитовым цилиндром, служащим токоподводом для серы, и внешней (сталь, молибден) оболочкой. В качестве теплоизоляционного материала обычно используют асбест, хорошо впитывающий расплавленную серу (на случай разгерметизации промежуточного корпуса), или температуростойкий безводный электростатически заряженный гель кремниевой кислоты (эластосил) с удельной поверхностью от 100 до 300 м2/г. Тепловой режим батареи определяется уровнем расходуемой мощности. Так, при мощности 6,5 кВт (стационарная езда) тепловые потери составляют 360 Вт. В этих условиях саморазогрев батареи равен 8 °С за 2 ч.

Срок службы серно-натриевого аккумулятора определяется долговечностью сепаратора. Ресурсоспособность последнего в значительной степени зависит от технологии его изготовления. Сложность приготовления твёрдого электролита обусловлена тем, что оксид натрия, входящий в его состав, обладает повышенной летучестью при температуре спекания, что усложняет получение совершенной структуры.

При эксплуатации теряется униполярная проводимость электролита, и металл, проникая через сепаратор, попадает в пространство, заполненное серой, что приводит к разогреву и еще более разупорядоченной структуре. В последнее время синтезирован новый твёрдый электролит, имеющий состав Na+xZr2SixP3-xO12, в котором подвижность иона Na+ реализуется в трёх кристаллографических направлениях при удельном сопротивлении 2- 4 Ом · см (t = З00-350 °С). Существуют противоречивые данные о сроке службы серно-натриевого аккумулятора. Уверенно можно говорить о 200 циклах, хотя срок службы отдельных образцов достигает 1500 циклов.

Данные по удельной энергии колеблются в пределах 85-150 Вт · ч/кг при удельной мощности 30-40 Вт/кг.

В качестве альтернативы керамическому сепаратору имеются предложения использовать полые стеклянные капилляры, селективно проводящие ионы натрия. Большое удельное сопротивление стекла (104 Ом · см при t = 300 °С) компенсируется в какой-то степени существенно меньшей толщиной (10- 3 см ) против толщины керамического сепаратора (10- 1 см ). Металлический натрий находится внутри капилляров, и благодаря их большому количеству (тысячи штук) формируется существенная поверхность раздела, что позволяет работать с малыми плотностями тока (10-3 А/см2) при хорошем (до 90 %) использовании активных масс. К настоящему времени на данной конструкции получены образцы с номиналом 40 А · ч со сроком службы 500 циклов.

Несмотря на то, что первый электромобиль – лёгкий фургон – с источником электроэнергии на основе серно-натриевой батареи был продемонстрирован в 1971 г ., информация о работе батарей на базе натрий-серных аккумуляторов практически отсутствует. Основными проблемами при проектировании батареи являются необходимость обеспечения шунтирования аккумулятора с высоким внутренним сопротивлением и отключение с шунтированием аккумулятора с высокими утечками. Поскольку номиналы аккумулятора ограничиваются конструкцией трубчатого сепаратора и достижимы номиналы 150-200 А · ч, для построения электромобильной батареи потребуется значительное число аккумуляторов, соединённых последовательно или параллельно. Это приведёт к необходимости использования большого числа силовых исполнительных элементов для отключения и шунтирования дефектных аккумуляторов.

Другой существенной проблемой является обеспечение температуры батареи 300-400 °С при заряде, хранении и разряде, т. е. в условиях неадекватного тепловыделения. В настоящее время это осуществляется путём использования вакуумированной многослойной фольговой теплоизоляции в сочетании с воздушным охлаждением.

Чрезвычайно серьёзной является проблема безопасной эксплуатации: в случае утечки через электролит и прямого взаимодействия серы и натрия может произойти полная разгерметизация аккумулятора. Это связано с тем, что температура кипения серы 444 °С, а исходная температура батареи 300-350 °С и реакция взаимодействия серы и натрия сильно экзотермична.

Подытоживая вышеизложенное об аккумуляторе типа натрий-сера, можно отметить, что, несмотря на доступные и недорогие исходные материалы (натрий, сера), их постоянную регенерацию (что свойственно жидким реагентам), вопрос о практическом использовании батареи на базе этой системы остается проблематичным. Основными сдерживающими факторами являются малый ресурс сепаратора, дорогостоящие материалы уплотнения и электролита, сложность обеспечения требуемого теплового режима и т. д. Возможно, что натрий-серный аккумулятор, разрабатываемый как стационарный источник для снятия пиковых нагрузок на промышленных электростанциях, первоначально найдёт применение именно в этой области. Для стационарного варианта отсутствуют термоудары, связанные с выходом на режим, и возможна тщательная диагностика каждого аккумулятора.

Источник

Натрий-серный аккумулятор

Владельцы патента RU 2680516:

Изобретение относится к области электротехники, а именно к натрий-серному аккумулятору. Повышение безопасности работы натрий-серного аккумулятора, из которого натрий не будет вытекать немедленно, и снижение вероятности его повреждения является техническим результатом изобретения. Натрий-серный аккумулятор включает в себя перегородку 12 из твердого электролита, катодное отделение 15, сформированное с одной из противоположных сторон перегородки 12, анодное отделение 16, сформированное с другой из противоположных сторон перегородки 12, серу, расположенную в катодном отделении 15, натрий, часть которого находится в анодном отделении 16, емкость 2 для натрия, содержащую большую часть остального натрия, и соединительный канал 5, соединяющий анодное отделение 16 с емкостью 2 для натрия и включающий в себя тонкий просверленный канал 53, продолжающийся в емкости 2 для натрия и открывающийся в емкости 2 для натрия. Кроме того, соединительный канал 5 дополнительно включает в себя запирающее средство 52 для закрывания самого соединительного канала. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

[0001] Настоящее изобретение относится к натрий-серному аккумулятору.

[0002] Натрий-серный аккумулятор известен как вторичная батарея с высокой емкостью. В натрий-серном аккумуляторе катодный активный материал представляет собой расплавленную серу, анодный активный материал — расплавленный натрий, а твердый электролит бета-глинозем, через который проникают ионы натрия Na + , образует перегородку, которая отделяет расплавленную серу и расплавленный натрий друг от друга. Кроме того, расплавленная соль, а именно катодный активный материал, расположен в катодном отделении; расплавленный натрий, т.е. анодный активный материал, расположен в анодном отделении. Катодное отделение и анодное отделение соединены электрически с выводом катода и выводом анода натрий-серного аккумулятора, соответственно.

[0003] При разряде натрий-серного аккумулятора натрий Na в анодном отделении разделяется на электроны и ионы натрия Na + . Поток электронов проходит от вывода анода наружу; ионы натрия Na + проникают сквозь перегородку и попадают в катодное отделение. В катодном отделении вывод катода поставляет электроны, и поставляемые электроны, ионы натрия Na + и расплавленная сера S вступают друг с другом в химическую реакцию с образованием полисульфида натрия Na₂S_x. При заряжении натрий-серного аккумулятора протекают реакции, обратные проходящим в процессе разряда. В процессе заряжения полисульфид натрия Na₂S_x распадается на ионы натрия Na + и серу S, а затем ионы натрия Na + проникают через перегородку из катодного отделения в анодное отделение. Иначе говоря, ионы натрия Na + , проникающие через перегородку, перемещаются из анодного отделения в катодное отделение в процессе разряда и перемещаются из катодного отделения в анодное отделение в процессе заряда. Натрий-серный аккумулятор работает при высокой температуре в диапазоне от 290 до 350°С, поскольку необходимо, чтобы вся расплавленная сера и весь расплавленный натрий в натрий-ионном аккумуляторе, т.е. активные материалы, находились в расплавленном состояние, т.е. были, соответственно, жидкими.

[0004] В натрий-серном аккумуляторе, целостность которого по какой-либо причине нарушена, большое количество расплавленного натрия вступает в контакт с большим количеством расплавленной серы; они реагируют друг с другом, и в процессе реакции выделяется большое количество тепла. В патентной литературе № 1 описан натрий-серный аккумулятор, способный предотвратить вытекание больших количеств расплавленного натрия. Натрий-серный аккумулятор содержит емкость для натрия, расположенную отдельно от анодного отделения, содержащую большую часть натрия и выполненную из металла, который менее подвержен разрушению. Кроме того, емкость для натрия соединена с анодным отделением посредством длинной и тонкой соединительной трубки, работающей как канал для натрия.

[0005] В процессе реакций заряжения и разряда ионы натрия Na + перемещаются из катодного отделения в анодное отделение или из анодного отделения в катодное отделение через перегородку. Поскольку анодное отделение соединено с емкостью для натрия, увеличение или уменьшение количества натрия в анодном отделении приводит к уменьшению и увеличению количества натрия в емкости для натрия. Таким образом, натрий перемещается из анодного отделения в емкость для натрия так, чтобы анодное отделение всегда было заполнено натрием. Анодное отделение содержит небольшое количество натрия. Короче говоря, большая часть натрия находится в емкости для натрия, изготовленной из металла, который не склонен к разрушению. Кроме того, емкость для натрия соединена с анодным отделением посредством длинной и тонкой соединительной трубки.

[0006] Таким образом, даже если перегородка, ограничивающая анодное отделение, ломается, расплавленный натрий вытекает из анодного отделения в небольшом количестве. Кроме того, поскольку емкость для натрия, изготовленная из металла, менее склонного к разрушению, содержит большую часть расплавленного натрия, и поскольку длинная и тонкая соединительная трубка предотвращает вытекание расплавленного натрия наружу, вероятность вытекания расплавленного натрия наружу снижается. Соответственно, большая часть расплавленного натрия не вступает в контакт с расплавленной серой и не реагирует с ней. В результате, даже если перегородка ломается, поломка перегородки с меньшей вероятностью приводит к выделению больших количеств тепла и с малой вероятностью вызывает возгорание. Отметим, что при поломке натрий-серного аккумулятора, что должно приводить к остановке его работы, происходит снижение его температуры. Однако при снижении температуры как расплавленный натрий, так и жидкий полисульфид натрия превращаются в стабильные твердые фазы, что определенно делает вероятность реакции между натрием и серой исчезающее малой.

Связанная техническая литература

[0007] Патентная литература № 1: японская нерассмотренная патентная заявка (KOKAI) издание № 50-38030.

Задача, решаемая изобретением

[0008] Требуется, чтобы натрий-серный аккумулятор был гораздо безопаснее в случае повреждения. Кроме того, натрий-серный аккумулятор, описанный в патентной литературе № 1, содержит длинную соединительную трубку, соединяющую катодную емкость, в которой находится расплавленная сера, и перегородку из твердого электролита с емкостью для натрия. Включение длинной соединительной трубки затрудняет сближение катодной емкости и емкости для натрия и расположение емкости для натрия внутри катодного отделения для обеспечения компактности натрий-серного аккумулятора. Кроме того, длинная соединительная трубка, находящаяся снаружи от катодной емкости и емкости для натрия, может быть повреждена при сборке натрий-серного аккумулятора.

[0009] Настоящее изобретение учитывает указанные обстоятельства. Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в обеспечении безопасного натрий-серного аккумулятора, из которого натрий не будет вытекать немедленно, и вероятность повреждения которого снижена.

Средства решения задачи

[0010] Для достижения указанной цели натрий-серный аккумулятор согласно настоящему изобретению содержит:

перегородку, сформированную из твердого электролита бета-глинозема;

катодное отделение, сформированное с одной из противоположных сторон перегородки;

анодное отделение, сформированное с другой из противоположных сторон перегородки;

серу, расположенную в катодном отделении;

натрий, часть которого расположена в анодном отделении;

емкость для натрия, содержащую остальной натрий; и

соединительный канал, представляющий собой тонкий просверленный канал, соединяющий анодное отделение с емкостью для натрия;

при этом соединительный канал дополнительно включает в себя соединительный сегмент между анодным отделением и емкостью для натрия, который соединяет анодное отделение с емкостью для натрия, и внутренний сегмент емкости для натрия, сформированный из трубочки, удлиненный внутрь емкости для натрия и открывающийся во внутреннюю нижнюю частью емкости для натрия.

[0011] Другой натрий-серный аккумулятор в соответствии с настоящим изобретением содержит:

перегородку, сформированную из твердого электролита бета-глинозема;

катодное отделение, сформированное с одной из противоположных сторон перегородки;

анодное отделение, сформированное с другой из противоположных сторон перегородки;

серу, расположенную в катодном отделении;

натрий, часть которого расположена в анодном отделении;

емкость для натрия, содержащую остальной натрий; и

при этом соединительный канал дополнительно содержит запирающее средство, обеспеченное: сильно суженной частью; поплавком, плотность которого выше плотности натрия и ниже плотности серы и сульфида натрия, и который закрывает сильно суженную часть, плавая на поверхности серы или сульфида натрия, попадающих в соединительный канал через поврежденный участок при поломке перегородки.

[0012] Соединительный канал, продолжающийся в емкость с натрием и открывающийся в емкости для натрия, не только решает проблему, связанную с расположением обычной длинной соединительной трубки, но также и приводит к тому, что первый и второй натрий-серные аккумуляторы в соответствии с настоящим изобретением менее подвержены повреждениям, характерным для обычной длинной соединительной трубки, находящейся снаружи от катодной емкости и емкости для натрия.

[0013] Кроме того, запирающее средство, расположенное в соединительном канале и включающее в себя поплавковую камеру, сильно суженную часть и поплавок, способно надежно предотвратить вытекание расплавленной серы в емкость для натрия через соединительный канал; такое вытекание может быть вызвано поломкой перегородки. Таким образом, запирающее средство способно надежно предотвратить контакт между большим количеством расплавленной серы и большим количеством расплавленного натрия, что повышает безопасность первого и второго натрий-серных аккумуляторов в соответствии с настоящим изобретением. Кроме того, соединительный канал, включающий в себя: тонкий просверленный канал, продолжающийся в емкость для натрия и открывающийся в емкости для натрия; и запирающее средство, расположенное в соединительном канале и закрывающее его, не только решают проблему, связанную с расположением обычной длинной соединительной трубки, но также способны сделать первый и второй натрий-серные аккумуляторы в соответствии с настоящим изобретением менее подверженными повреждениям, характерным для обычной длинной соединительной трубки, находящейся снаружи от катодной емкости и емкости для натрия, что повышает безопасность первого и второго натрий-серных аккумуляторов в соответствии с настоящим изобретением.

[0014] Согласно настоящему изобретению сильно суженная часть соединительного канала представляет собой трубочку. Кроме того, согласно настоящему изобретению перегородка представляет собой пластину; анодное отделение сформировано внутри данной пластины; катодное отделение сформировано на внешней кольцевой части данной пластины; дополнительно натрий-серный аккумулятор содержит емкость для серы, граничащую с перегородкой, а также образующую катодную область; сера расположена внутри катодного отделения в емкости для серы.

Кроме того, согласно настоящему изобретению перегородка включает в себя трубчатый корпус, открытый сверху и закрытый снижу; емкость для натрия имеет нижний сегмент, и по меньшей мере нижний сегмент расположен на внутренней стороне трубчатого корпуса; анодное отделение сформировано между внутренней периферийной поверхностью трубчатого корпуса и нижней внешней периферийной поверхностью емкости для натрия; дополнительно натрий-серный аккумулятор содержит емкость для серы, граничащую с перегородкой и образующую катодное отделение; сера расположена внутри катодного отделения в емкости для серы; и соединительный канал имеет открытый конец на верхней стороне анодного отделения, а другой конец, открытый на нижней стороне емкости для натрия.

Кроме того, согласно настоящему изобретению соединительный канал сформирован из трубочки, проходящей сквозь емкость для натрия, и имеет отверстие, открытое в верхнюю часть анодного отделения, а также продолжающийся от отверстия вниз, внутрь натриевого отделения, и имеет отверстие, открытое в нижнюю часть емкости для натрия.

Натрий-серные аккумуляторы в соответствии с настоящим изобретением относятся к улучшениям обычной длинной соединительной трубки, связывающей анодное отделение с емкостью для натрия. Обычные компоненты, такие как перегородка, емкость и т. д., можно использовать в качестве компонентов данных натрий-серных аккумуляторов за исключением соединительного канала.

[0015] Первый натрий-серный аккумулятор в соответствии с настоящим изобретением отличается большей безопасностью, поскольку для него не только нехарактерна проблема, связанная с включением обычной длинной соединительной трубки, но также он едва ли подвержен повреждениям, типичным для обычной длинной соединительной трубки, находящейся снаружи от катодной емкости и емкости для натрия.

[0016] Второй натрий-серный аккумулятор в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит запирающее средство, расположенное внутри соединительного канала, закрывающее его и способное надежно предотвратить вытекание расплавленной серы в емкость для натрия через соединительный канал; такое вытекание может иметь место при повреждении перегородки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Фиг. 1 — вид вертикального поперечного сечения натрий-серного аккумулятора 1 в соответствии с первым вариантом осуществления;

Фиг. 2 — вид бокового поперечного сечения натрий-серного аккумулятора 1 в соответствии с первым вариантом осуществления; и

Фиг. 3 — вид вертикального поперечного сечения натрий-серного аккумулятора 1 в соответствии со вторым вариантом осуществления.

ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ НАСТОЯЩЕГО ИЗОБРЕТЕНИЯ

(Первый вариант осуществления)

[0018] На фиг. 1 показано вертикальное поперечное сечение натрий-серного аккумулятора в соответствии с настоящим вариантом осуществления, а на фиг. 2 показано поперечное сечение сбоку. Фиг. 2 — вид в разрезе в направлении стрелок «A»-«A» на фиг. 1, а фиг. 1 — вид в разрезе в направлении стрелок «B»-«B» на фиг. 2. Как показано на фиг. 1 и 2, натрий-серный аккумулятор в соответствии с настоящим вариантом осуществления содержит корпус аккумулятора 1 и емкость 2 для натрия, которые представляют собой его основные компоненты.

[0019] Корпус аккумулятора 1 содержит металлический кожух 11, соответствующий емкости для серы согласно настоящему изобретению, и перегородку 12. Кожух 11 представляет собой прямоугольный параллелепипед с открытым верхним концом. Кожух 11 обладает передней поверхностью и задней поверхностью в виде широкого четырехугольника, парными боковыми поверхностями в виде вытянутых по вертикали прямоугольников, и нижней поверхностью в виде прямоугольника. В верхней части одной из боковых поверхностей обеспечен вывод 111 катода.

[0020] Перегородка 12 содержит корпус 121 перегородки из бета-глинозема и крышку 122 из альфа-глинозема. Корпус 121 перегородки включает в себя нижнюю часть в форме тонкой пластины и верхнюю часть в виде фланца. В нижней части обеспечены тонкие поры 1211. Тонкие поры 1211 сформированы в горизонтальном направлении в нижней части, расположены на равном расстоянии друг от друга и открыты в верхней части и имеют дно в нижней части. Все тонкие поры 1211 открыты в большую открывающуюся секцию, расположенную во фланцевой верхней части и продолжающуюся по горизонтали. Крышка 122 сверху соединена за одно целое с открывающейся секцией. Пространство, остающееся в открывающейся секции, образует промежуточный канал 1212, соединяющий тонкие поры 1211 между собой. Отметим, что тонкие поры 1211 и промежуточный канал 1212 образуют анодное отделение 16 в соответствии с настоящим изобретением.

[0021] Перегородка 12 расположена в кожухе 11. Также в кожухе 11 вместе с перегородкой 12 расположен токосъемник 13, изготовленный из войлока в виде толстой пластины из углеродных волокон, между передней поверхностью перегородки 12 и задней поверхностью. Токосъемник 13 пропитан серой 3, благодаря чему она удерживается в катодном активном материале. В данных условиях перегородку 12 и кожух 11 собирают, подгоняя одну к другому. В сборке из перегородки 12 и кожуха 11 боковые периферийные поверхности в перегородке 12 герметично соединены в области верхней фланцевой части с кожухом 11 по его внутренней периферийной поверхности. Пространство, образованное внутренней поверхностью кожуха 11 и внешней поверхностью перегородки 12, включает в себя токосъемник 13 и серу 3 и образует катодное отделение 15 в соответствии с настоящим изобретением.

[0022] Емкость 2 для натрия выполнена из нержавеющей стали или сплава алюминия, имеет форму прямоугольного параллелепипеда и снабжена выводом анода 21 на верхней поверхности. Емкость для натрия 2 закреплена на верхней стороне корпуса аккумулятора 1 посредством промежуточного электроизолятора 23. Емкость 2 для натрия содержит анодный активный материал из натрия 4.

[0023] Трубкообразный соединительный канал 5 расположен в емкости 2 для натрия и имеет противоположные концы, один из которых открывается в пространство внутри емкости 2 для натрия, а другой открывается в промежуточный канал 1212 внутри перегородки 12 корпуса аккумулятора 1. Соединительный канал 5 содержит: нижнюю трубочку 51, которая проходит сквозь нижнюю стенку емкости 2 для натрия, электроизолятор 23 и крышку 122 перегородки 12; запирающее средство 52; и верхнюю трубочку 53. Как нижняя трубочка 51, так и верхняя трубочка 53 выполнены из тонкой трубки из нержавеющей стали, осевые отверстия которых образуют канал, по которому течет натрий.

[0024] Запирающее средство 52 представляет собой металлическую оболочечную часть 521 со сферическим пространством (или поплавковой камерой) внутри и полым сферическим клапаном 522, помещенным внутрь оболочечной части 521. Под оболочечной частью 521 присоединяется нижняя трубочка 51, так, что одно из ее отверстий открывается во внутреннее пространство оболочечной части 521; выше оболочечной части 521 присоединяется верхняя трубочка 53, так что одно из ее отверстий (т.е. сильно суженная часть) открывается во внутреннее пространство оболочечной части 521. Кроме того, клапан 522 расположен на гнезде 533 с внутренней стороны оболочечной части 521, а именно он расположен вокруг середины внутреннего пространства в оболочечной части 521. Таким образом, клапан 522 помещен так, что он удален от обоих отверстий нижней трубочки 51 и верхней трубочки 53. Клапан 522 изготовлен так, что внутреннее пространство обеспечивает плотность клапана 522 приблизительно 1,5 г/см 3 . Следовательно, эта плотность выше плотности расплавленного натрия (приблизительно 1,0 г/см 3 ) и ниже плотности расплавленной серы и расплавленного сульфида натрия (приблизительно 2,0 г/см 3 ).

[0025] Верхняя трубочка 53 выполнена из относительно длинной трубочки и загнута в перевернутую букву «U», так что один из ее противоположных концов открывается в нижнюю часть внутреннего пространства в натриевом отделении 2. Верхняя трубочка 53 образует сильное сужение в соответствии с настоящим изобретением на участке, где она соединяется с оболочечной частью 521.

[0026] Запирающее средство 52, изготовленное как описано выше, удерживает клапан 522 в гнезде 523 при протекании расплавленного натрия по соединительному каналу 5. Соответственно, каждое из отверстий нижней трубочки 51 и верхней трубочки 53, открывающихся во внутреннее пространство запирающего средства 52, находится в открытом состоянии. Таким образом, расплавленный натрий протекает внутри запирающего средства 52.

[0027] Соединительный канал 5 соединяет емкость 2 для натрия и анодное отделение 16 в пределах перегородки 12 и образует канал для перемещения между ними расплавленного натрия. В дополнение к функциям канала для расплавленного натрия соединительный канал 5 дополнительно выполняет функцию снижения скорости потока расплавленной серы 3 из катодного отделения 15 в емкость 2 с натрием сквозь данный канал, если такой поток возникает при поломке перегородки 12.

[0028] При медленном перетекании расплавленной серы в емкость 2 для натрия расплавленная сера так же медленно реагирует с расплавленным натрием, и это не приводит к их бурной реакции друг с другом. Таким образом, выделяющаяся теплота реакции меньше, и температура расплавленного натрия повышается ненамного. Кроме того, расплавленная сера, перетекающая в емкость 2 для натрия, занимает собой пространство внутри емкости 2 для натрия, что приводит к повышению давления внутри емкости 2 для натрия. Повышение давления внутри емкости 2 для натрия также возникает в результате повышения температуры внутри емкости 2 для натрия. Таким образом, давление внутри емкости 2 для натрия понемногу возрастает, пока давление на противоположных концах соединительного канала 5 не выравнивается. Соответственно, расплавленная сера перестает перетекать в емкость 2 для натрия через соединительный канал 5. Следовательно, тепловыделение внутри емкости 2 для натрия не возрастает, и внутренность емкости 2 для натрия стабилизируется. Таким образом, емкость 2 для натрия содержит внутри расплавленный натрий и предотвращает контакт расплавленного натрия, находящегося в емкости 2 для натрия, с расплавленной серой.

[0029] В то же время, внутри корпуса аккумулятора 1 при поломке перегородки 12 расплавленный натрий, находящийся в анодном отделении 16, образованном тонкими порами 1211 и промежуточным каналом 1212 в перегородке 12, приходит в контакт с расплавленной серой, находящейся в катодном отделении 15 снаружи от перегородки 12. Однако пространство внутри анодного отделения 16 чрезвычайно мало или ограничено, поскольку сформировано только тонкими порами 1211 и промежуточным каналом 1212. Соответственно, количество жидкого натрия, удерживаемого внутри анодного отделения 16, также мало. Таким образом, даже если весь расплавленный натрий, удерживаемый в анодном отделении 16, прореагирует с расплавленной серой, тепловыделение не очень велико. Даже если такое небольшое тепловыделение приводит к повышению температуры всей расплавленной серы, количество которой велико, и перегородки 12, температура поднимается ненамного. Таким образом, не происходит возгорания или взрыва корпуса аккумулятора 1, который при этом нагревается лишь незначительно. Если сломанная перегородка 12 вызывает потерю функций аккумулятора со стороны натрий-серного аккумулятора в соответствии с настоящим вариантом осуществления, внешняя часть отбирает тепло от данного натрий-серного аккумулятора при повышении температуры выше, чем 300°С. Таким образом, температура аккумулятора снижается. Кроме того, когда температура данного аккумулятора падает ниже 100°С, расплавленная сера, а также расплавленный натрий затвердевают и превращаются в чрезвычайно стабильные вещества, которые не проявляют свойств, необходимых для работы аккумулятора.

[0030] Запирающее средство 52, находящееся в соединительном канале 5, дополнительно повышает описанную безопасность работы соединительного канала 5. Иначе говоря, при поломке перегородки 12 и попытке перетекания расплавленной серы из катодного отделения 15 в емкость 2 для натрия через соединительный канал 5 запирающее средство 52 останавливает расплавленную серу для предотвращения ее перетекания внутрь емкости 2 для натрия. Если расплавленная сера перетекает в оболочечную часть 521 запирающего средства 52 через нижнюю трубочку 51 соединительного канала 51, расплавленная сера (которая отличается большей плотностью, равной приблизительно 2,0 г/см 3 ) удерживает на поверхности полый сферический клапан 522 (находящийся в оболочечной части 521 и обладающий более низкой плотностью, равной приблизительно 1,5 г/см 3 ), поднимая клапан 522 вверх. Кроме того, расплавленная сера прижимает клапан 522 к отверстию верхней трубки 53, которая открывается в оболочечное пространство 521, и запирает собой отверстие. Таким образом, запирающее средство 52 предотвращает перетекание расплавленной серы в емкость 2 для натрия через верхнюю трубку 53 посредством закрывания отверстия верхней трубки 53. Соответственно, расплавленный натрий, в большом количестве находящийся внутри емкости 2 для натрия, изолирован от расплавленной серы, которая находится в катодном отделении 15. Таким образом, расплавленный натрий и расплавленная сера не вступают в контакт друг с другом и совсем не реагируют друг с другом.

[0031] Поскольку запирающий клапан 522 таким образом останавливает поток расплавленной серы до перетекания расплавленной серы в емкость 2 для натрия, он способен более надежно предотвратить контакт или реакцию между расплавленным натрием, в большом количестве находящимся в емкости 2 для натрия, и расплавленной серой, в большом количестве находящейся в катодном отделении 15.

[0032] Натрий-серный аккумулятор согласно настоящему варианту осуществления применяется с емкостью 2 для натрия, расположенной поверх него. Кроме того, емкость 2 для натрия и анодное отделение 16 спроектированы так, что их внутреннее пространство находится при низком давлении или вакуумировано. Напротив, катодное отделение 15 работает при атмосферном давлении или при пониженном давлении в случае, когда оно подвергается действию более высокого давления, чем давление в анодном отделении 16. В результате, на перегородку 12 действует прижимающее усилие в направлении от внешней периферийной поверхности в сторону анодного отделения 16, так, чтобы на перегородку 12 не действовало напряжение растяжения.

[0033] Поскольку данный натрий-серный аккумулятор разряжается и заряжается тем же способом, посредством которого разряжаются и заряжаются обычные натрий-серный аккумуляторы, функционирование натрий-серного аккумулятора согласно настоящему изобретению в части разряжения и заряжения здесь описано не полностью с целью более сжатого описания настоящего изобретения.

(Второй вариант осуществления)

[0034] На фиг. 3 показан вид вертикального поперечного сечения натрий-серного аккумулятора 1 в соответствии со вторым вариантом осуществления. В основном натрий-серный аккумулятор 1 в соответствии с настоящим вариантом осуществления работает так же и обладает теми же преимуществами, что и аккумулятор в первом варианте осуществления. Таким образом, данный натрий-серный аккумулятор будет описан далее с упором на элементы, отличные от применяемых в Первом варианте осуществления.

[0035] Как показано на фиг. 3, натрий-серный аккумулятор 1 в соответствии со вторым вариантом осуществления содержит следующие основанные элементы: защитный корпус 81, расположенный так, чтобы окружать аккумулятор, и имеющий трубчатую форму с открытым верхним концом и дном на нижнем конце; изолирующее кольцо 82, установленное на внутреннюю периферийную поверхность защитного корпуса 81 сверху и имеющее кольцеобразную форму; перегородку 83, закрепленную на внутренней периферийной поверхности изолирующего кольца 82, имеющую трубчатую форму, с открытым верхним концом и дном на нижнем конце, и выполненную из бета-глинозема; металлическую емкость 84 для натрия, закрепленную на перегородке 83 на внутренней периферийной поверхности сбоку, имеющую трубчатую форму, закрытую на верхнем и нижнем концах; соединительный канал 85, открывающийся на дно емкости 84 с натрием и открывающийся на внешнюю периферийную стенку емкости 84 с натрием с верхней стороны; расплавленный натрий 86, играющий роль анодного активного материала; и расплавленную серу 87, играющую роль катодного активного материала.

[0036] Защитный корпус 81 изготовлен из металла, имеет трубчатое основание и оснащен выводом 811 катода, установленным на боковой поверхности сверху.

[0037] Перегородка 83 закреплена на внутренней боковой периферийной поверхности защитного корпуса 81. Перегородка 83 состоит из бета-глинозема, твердого электролита, сквозь который проникают ионы натрия Na + , и имеет трубчатую форму с открытым верхним концом и закрытым нижним концом. Пространство, окруженное внутренней периферийной поверхностью перегородки 83 и внешней периферийной поверхностью емкости 84 для натрия, образует анодное отделение 840; другое пространство, окруженное внешней периферийной боковой поверхностью перегородки 83 и внутренней периферийной поверхностью защитного корпуса 81, образует катодное отделение 810.

[0038] Емкость 84 для натрия закреплена на внутренней периферийной боковой поверхности перегородки 83, выполнена из металла и имеет трубчатую форму с закрытыми верхним и нижним концами.

[0039] Соединительный канал 85 включает в себя: первую тонкую трубчатую часть 851 из металла, имеющую форму тонкой трубки с концом, проходящим внутрь верхней стенки емкости 84 для натрия, а затем открывающимся в анодное отделение 840; запирающую часть 852, куда открывается другой конец первой части тонкой трубки 851; и вторую тонкую трубчатую часть 853 с концом, открывающимся в запирающую часть 852, и другим концом, открывающимся в нижний участок емкости 84 для натрия. Соединительный канал 85 спроектирован идентично соединительному каналу 5 согласно первому варианту осуществления. И первая тонкая трубчатая часть 851, и закрывающая часть 852, и вторая тонкая трубчатая часть 853 спроектированы идентично нижней трубочке 51, запирающему средству 52 и верхней трубочке 53 согласно первому варианту осуществления.

[0040] Верхнее пространство натриевого отделения 84 герметично заполнено инертным газом. Газовое давление, обеспечиваемое инертным газом, выталкивает расплавленный натрий 86 вниз на уровень жидкости, проталкивая расплавленный натрий 86 в сторону анодного отделения 840 по соединительному каналу 85.

[0041] Изолирующее кольцо 82 установлено на верхнюю часть защитного корпуса 81 посредством фиксатора 821. Кроме того, перегородка 83 установлена на верхнюю часть на внутренней периферийной боковой поверхности изолирующего кольца 82 на диаметральной внутренней стороне, а сверху на изолирующее кольцо 82 установлен фиксатор 822 анода. Фиксатор 822 анода удерживает крышку 823 анода, закрывая верхнюю часть перегородки 83 и емкости 84 для натрия. В середине крышки 823 анода расположен стержнеобразный вывод 824 анода, выступающий за пределы крышки 823 анода из верхней концевой поверхности емкости 84 для натрия, так, чтобы обеспечить непрерывный электрический контакт с емкостью 84 для натрия.

[0042] В пространстве над верхним концом перегородки 83 внутри анодного отделения 840 расположена прокладка 825 для уменьшения свободного пространства.

[0043] В катодном отделении 810 расположен вывод катода 811, изготовленный из войлока из углеродных волокон.

[0044] Большая часть натрия 86 занимает емкость 84 для натрия, а остальная, меньшая часть расположена в небольшом количестве в анодном отделении 840.

[0045] При разряде натрий-серного аккумулятора 1 согласно второму варианту осуществления натрий внутри анодного отделения 840 проходит через перегородку 83 и попадает в катодное отделение 810, где он реагирует с серой, образуя полисульфид натрия. Натрий, количество которого в анодном отделение 840 снижается в процессе разряда, пополняется из натрия в емкости 84 для натрия через соединительный канал 85. Наоборот, при заряжении данного натрий-серного аккумулятора 1, полисульфид натрия внутри катодного отделения 810 превращается в ионы натрия, и образующиеся ионы натрия, проходящие через перегородку 83 перемещаются в анодное отделение 840. Натрий, количество которого внутри анодного отделения 840 возрастает, поступает во внутреннюю часть емкости 84 для натрия через соединительный канал 85, против собственного давления, поддерживаемого в емкости 84 для натрия.

[0046] Отметим, однако, что поскольку функции и/или роли соединительного канала 85 те же, что и в случае соединительного канала 5 в соответствии с первым вариантом осуществления при поломке перегородки 83, они здесь не описаны.

[0047] Натрий-серный аккумулятор 1 согласно настоящему варианту осуществления не содержит какой-либо особой части, находящейся между внутренней периферийной поверхностью перегородки 83, которая образует анодное отделение 840, и внешней периферийной поверхностью емкости 84 для натрия. Таким образом, возможно обеспечить более узкий просвет между внешней периферийной поверхностью емкости 84 для натрия и внутренней периферийной поверхностью перегородки 83. Соответственно, более узкий просвет делает емкость анодного отделения 840 меньше. Соответственно, анодное отделение 840 с пониженной емкостью содержит меньше натрия. Таким образом, уменьшается выделяемая теплота реакции, которая может протекать между натрием из анодного отделения 840 и серой из катодного отделения 810 в случае поломки перегородки 83. Таким образом, также менее вероятно, что данный натрий-серный аккумулятор подвергнется возгоранию или чему-либо в этом роде, что может произойти в случае поломки перегородки 83.

1. Натрий-серный аккумулятор, содержащий:

перегородку, выполненную из твердого электролита бета-глинозема;

катодное отделение, сформированное с одной из противоположных сторон перегородки;

анодное отделение, сформированное с другой из противоположных сторон перегородки;

серу, расположенную в катодном отделении;

натрий, часть которого расположена в анодном отделении;

емкость для натрия, содержащую остальной натрий; и

при этом соединительный канал дополнительно включает в себя соединительный сегмент между анодным отделением и емкостью для натрия, соединяющий анодное отделение с емкостью для натрия, и внутренний сегмент емкости для натрия, сформированный из трубочки, удлиненный внутрь емкости для натрия и открывающийся во внутреннюю нижнюю частью емкости для натрия.

2. Натрий-серный аккумулятор по п. 1, в котором внутренний сегмент емкости для натрия имеет форму перевернутой буквы «U», удлинен вверх от внутренней части дна емкости для натрия и продолжается вниз.

3. Натрий-серный аккумулятор по п. 1, в котором внутренний сегмент емкости для натрия удлинен вниз от внутренней верхней части емкости для натрия.

4. Натрий-серный аккумулятор по п. 1 или 2, в котором:

перегородка представляет собой корпус в форме пластины;

анодное отделение сформировано внутри корпуса в форме пластины;

катодное отделение сформировано по наружной кольцевой поверхности корпуса в форме пластины; и

натрий-серный аккумулятор дополнительно содержит емкость для серы, расположенную у перегородки, содержащую серу, а также образующую катодное отделение.

5. Натрий-серный аккумулятор по п. 1, в котором:

перегородка представляет собой трубчатый корпус с открытым верхним концом и закрытым нижним концом;

емкость для натрия имеет нижний сегмент, по меньшей мере, нижний сегмент расположен на внутренней поверхности трубчатого корпуса;

анодное отделение сформировано между внутренней периферийной поверхностью трубчатого корпуса и нижней внешней периферийной поверхностью емкости для натрия;

натрий-серный аккумулятор дополнительно содержит емкость для серы, расположенную у перегородки и образующую катодное отделение; и

соединительный канал имеет конец, открывающийся в верхней части анодного отделения, и другой конец, открывающийся во внутренней нижней части емкости для натрия.

6. Натрий-серный аккумулятор, содержащий:

перегородку, выполненную из твердого электролита бета-глинозема;

катодное отделение с одной из противоположных сторон перегородки;

анодное отделение с другой из противоположных сторон перегородки;

серу, расположенную в катодном отделении;

натрий, часть которого расположена в анодном отделении;

емкость для натрия, содержащую остальной натрий; и

при этом соединительный канал дополнительно включает в себя запирающее средство, обеспеченное: сильно суженной частью; поплавком, плотность которого выше плотности натрия и ниже плотности серы и сульфида натрия, и который закрывает сильно суженную часть, плавая на поверхности серы или сульфида натрия, попадающих в соединительный канал через поврежденный участок при поломке перегородки.

7. Натрий-серный аккумулятор по п. 6, в котором тонкая просверленная часть представляет собой трубочку.

8. Натрий-серный аккумулятор по п. 6 или 7, в котором:

перегородка представляет собой корпус в форме пластины;

анодное отделение сформировано внутри корпуса в форме пластины;

катодное отделение сформировано по наружной кольцевой поверхности корпуса в форме пластины; и

натрий-серный аккумулятор дополнительно содержит емкость для серы, образующую катодное отделение.

9. Натрий-серный аккумулятор по п. 6 или 7, в котором:

перегородка представляет собой трубчатый корпус с открытым верхним концом и закрытым нижним концом;

емкость с натрием имеет нижний сегмент, по меньшей мере, нижний сегмент расположен на внутренней поверхности трубчатого корпуса;

Источник