[发明专利]具有高安全防护设计的储能钠硫电池模块

说明书

技术领域

本发明提供一种具有高安全防护设计的储能钠硫电池模块，能有效防止电池相互间连锁污染或损坏向模块外部扩散而引起的二次灾害，属于物理化学器件领域。

背景技术

钠硫电池(Sodium Sulfur battery，简称NAS)以钠离子导电性好的beta-氧化铝陶瓷作电解质，金属钠作负极材料，非金属硫作正极材料。电池放电时，外加电能以转化为化学能(以Na，S)的形式储存起来，放电时钠和硫通过电化学反应形成多硫化钠将化学能转化为电能释放出来。单体钠硫电池理论容量可达到700Ah/Kg以上，具有100％能量转换效率，大电流密度放电，寿命长，无自放电及原料丰富等优点。钠硫电池的一个主要用途是作为电力储藏。由于通过像这样的钠硫电池的电池反应得到的起始电力大约为2V，单电池无法满足实际使用的电压。因此，需要将若干单体钠硫电池按照设计容量与功率进行串并联组合，装入设计的保温箱形成模块，进一步通过电池管理系统将模块集成为千瓦级或兆瓦级储能电站，然后并网提供实际应用。

尽管钠硫电池电站应用于电力储藏已经获得了小规模商业化，迄今为此全球运行中的大于50kw的钠硫电池储能系统达到100套以上，但安全问题依旧是限制钠硫电池商业性规模化应用的一个重要因素，尤其当把多个钠硫单体电池进行串并联成组应用时，电池的工作环境一般在300℃以上，数个以及多个单体钠硫电池破损后(包括电池短路、活性物质泄露等，尤其指电解质破裂或封装失效)，容易引起电化学或者物理失效连锁反应。作为储能使用时，电池处于静态工作环境中，温度和安全可靠性矛盾有所缓解，但电池内部陶瓷电解质破裂或失效后(主要发生在电池充电后期)，大量金属钠与硫直接反应，造成温度上升，同时生成的腐蚀性多硫化钠产物从电池封装薄弱处或者从电池破损部分溢出，污染邻近电池，造成连锁损坏。更为严重的是，一旦破损向模块外部扩散，将引起二次灾害，甚至有可能引起多个模块之间的污染影响。从电池内部向外部环境泄漏的电池活性物质，包括金属钠、多硫化钠、硫等与环境条件接触，与空气中的氧气、水分等反应，将产生包括氢气、硫化物、氢氧化物等一系列产物，具有强腐蚀性，严重的甚至会引起火灾。电池一旦发生上述破损现象后，除了对模块内部电池采取及时的回路电连接隔离以外，有必要在物理隔离方面确保绝对安全。

钠硫电池的模块物理安全防护方面一般采用内部覆盖足量石英砂，或黄沙进行物理隔离，防止电池连锁反应。日立公司在JP2001085053A中提出在保温箱中单体电池的空隙填充大量砂、陶瓷粉末，或者玻璃粉末，防止上述的物理破损连锁反应；日本碍子公司在JP2000030739A，JP2000215908A及JP2000260466A中提出除了在单体电池空隙处填充大量砂类灭火材料外，进一步在保温箱上盖内壁设计夹层，夹层内放置有大量粒状砂类灭火材料，一旦有电池发生活性物质泄漏并有温度急剧上升，夹层发生融化从而夹层内的粒状会落下阻碍破损进一步扩散。以上的专利申请中主要还是提出采取沙类填充物质，由于沙类材料导热性较差，这在很大程度上增加了模块内部温场的不均匀，同时在从室温到达工作温度时极大地延长了模块的热启动时间。由于沙类材料具有很强的流动性，往往在模块内部一定量电池损坏后无法有效起到绝对的隔离效果。另外，在模块损坏后进行更换时，大量流沙类材料将使电池更换工作难以进行。在模块内部部分单体电池损坏时还会担心电池连锁反应，一旦充放电过程中发生个别或若干电池破损后，如果不能及时将损坏电池从成组连接的电流回路中断开，电池将会发生电化学连锁损坏，进一步造成大量电池失效从而模块最终无法工作。本发明就是解决以上提到的问题点，为了达到此目的，提供一类包括及时电流控制隔离的安全结构，以及复合型梯度物理隔离手段，在模块内部若干钠硫电池发生破损甚至严重向外扩散污染时，能够及时进行电隔离，同时有效防止电池相互间连锁污染或损坏向模块外部扩散而引起的二次灾害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有高安全防护设计的储能钠硫电池模块。本发明提供的安全防护设计主要包括两个方面内容：首先是在模块内部单体电池串并联成组连接时，在电流回路中采用保护性设计的电池连接装置与技术，在个别或者若干单体电池发生瞬时破损时(包括电池短路、活性物质泄露等，尤其指电解质破裂或封装失效)，能够有效将损坏电池从电流回路中断开，防止电池在充放电过程中发生电化学连锁损坏；另一方面在模块内部采用复合型梯度物理隔离手段，在模块内部若干钠硫电池发生严重破损甚至向外扩散污染时，能有效防止电池相互间连锁污染或损坏向模块外部扩散而引起的二次灾害。