[发明专利]钠硫电池用封接材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钠硫电池用封接材料及其制备方法，具体涉及beta—Al₂O₃陶瓷与alpha—Al₂O₃陶瓷的封接材料及其制备方法，属于能源材料领域。

技术背景

钠硫电池是一种以钠离子导体beta—Al₂O₃为固体电解质、钠和硫分别为负极和正极的新型高能蓄电池，是美国福特公司于1967年首先发明公布的。在过去的近40年里，钠硫电池作为一种先进的高能量密度二次电池已在国际上受到极大的重视，研制工作已取得了十分显著的进展。目前正朝着实用化、商品化方向迈进。

电池密封是钠硫电池制造过程中非常重要的技术环节。钠硫电池设计的一个重要特点是必须采用全密封结构，以确保电池正负极活性物质与外界空气隔绝。密封技术是制造钠硫电池必须的关键技术之一，密封性能的好坏将直接影响电池的性能和寿命。钠硫电池结构上有三种完全不同类型的密封形式：(1)陶瓷与陶瓷的密封(连接beta—Al₂O₃陶瓷和alpha—Al₂O₃陶瓷)。(2)陶瓷与金属的密封，此类密封初期采用法兰紧固式机械密封，由于结构笨重庞大，而且较难达到密封要求，所以不能令人满意。Compagnie Genrale d’Electricite研究成功热压封接，即将金属与陶瓷封接件加热到某一温度后施加一定的压力以达到密封目的。用铝作为中间体材料的热压封接能达到很好的密封性能和键合强度，此类密封被认为是电池中陶瓷与金属封接的一种最佳选择。(3)金属与金属的密封，同样在研制初期，也是采用法兰紧固式机械密封，其外观及密封效果均不太理想。现已普遍改用热影响区小、高能量密度熔焊的电子束或激光焊等先进的焊接技术，成功地解决了电池金属容器在分别装填了钠与硫等低熔点活性物质后本身的密封问题，达到了全密封的装配要求。

钠硫电池中beta—Al₂O₃陶瓷与alpha—Al₂O₃陶瓷的封接尤为重要，beta—Al₂O₃电解质两侧分别是钠和硫，如果封接不好，则会引起钠和硫的泄漏，使电池内阻增大，降低电池的能量密度，甚至引起短路。同时，beta—Al₂O₃陶瓷与alpha—Al₂O₃陶瓷的封接也很困难，封接材料要满足很多苛刻的条件。首要的就是满足热匹配原则，beta—Al₂O₃陶瓷在室温—650℃的热膨胀系数约为7.5×10^-6K^-1，alpha—Al₂O₃陶瓷(95％纯度)在室温—400℃的热膨胀系数约为6.7×10^-6K^-1。如果封接材料与被封接材料之间的热膨胀系数不匹配，那么就很容易产生裂纹。过去一直采用玻璃封接，前人也为此投入了大量研究。虽然取得了显著的进展，但玻璃的膨胀系数很难和陶瓷匹配。而且，始终存在玻璃本身难以克服的缺点，例如，封接玻璃的抗热震性能很差；在电池的制备过程中，封接玻璃中会产生热应力，甚至裂纹；在电池工作温度下，封接玻璃会发生致密化，产生有害应力。采用玻璃陶瓷封接则会有效克服这些问题，但是，玻璃陶瓷封接却鲜有采用。

发明内容

本发明的目的在于制备和优化一种钠硫电池用玻璃陶瓷封接材料，使其克服玻璃封接时膨胀系数不匹配、抗热震性能差等缺陷。