аккумулятор с натриевым анодом и керамическим электролитом

Формула изобретения

Аккумулятор, содержащий корпус с натриевым анодом, сложным хлорнометаллическим катодом, включающим хлориды металлов (хлориды никеля и (или) железа) и жидкий электролит на основе хлоралюмината натрия, а также керамический твердый электролит на основе натриевого бета-глинозема, разделяющий катодные реагенты от натриевого анода, расположенного между корпусом аккумулятора и керамическим электролитом, отличающийся тем, что керамический электролит на основе натриевого бета-глинозема выполнен в виде тонкостенной пробирки, соединенной со стороны открытого конца с нижним концом внешней, соосно-расположенной тонкостенной трубы из того же материала большего диаметра, образуя полость между ними, в которую помещены катодные реагенты и тонкостенный токовый коллектор, равноудаленный от наружной поверхности керамической пробирки и внутренней поверхности керамической трубы, которая другим своим концом крепится к керамическому изоляционному кольцу.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области аккумулирования электроэнергии.

Известен аккумулятор с натриевым анодом, сложным хлорнометаллическим катодом, включающим в качестве катодных реагентов хлорнометаллические соединения и жидкий электролит на основе хлоралюмината натрия, с керамическим электролитом на основе натриевого бета-глинозема, разделяющим натриевый анод от катодных реагентов. Катодные реагенты весьма агрессивны и могут реагировать с металлическими элементами конструкции, но не взаимодействуют с керамическим электролитом. Поэтому катодные реагенты помещают во внутреннюю полость керамического электролита, выполненного в форме цилиндра, что устраняет их контактирование с элементами конструкции аккумулятора (аналог) [1]. На фиг.1 представлено продольное сечение известного аккумулятора, включающего корпус - 1, натриевый анод - 2, керамический электролит - 3, катодные реагенты - 4, токовый коллектор - 5, керамическое изоляционное кольцо - 6. Из-за ограничения диаметра токового коллектора и соответственно его рабочей поверхности на ней создается повышенная плотность электрического тока, что увеличивает потери электрической энергии. Сравнительно большое расстояние от керамического электролита до токового коллектора повышает внутреннее сопротивление аккумулятора. С целью увеличения рабочей поверхности керамического электролита и соответственно удельной мощности аккумулятора разработчики применяют более сложную конфигурацию керамического электролита.

Известен аккумулятор, у которого керамический электролит имеет поперечное сечение в виде цветка с крестообразным расположением лепестков (фиг.2). Публикация [2], где описывается конструкция аккумулятора с таким электролитом, выбрана в качестве прототипа. Изготовление такого керамического электролита требует применения необоснованно сложной технологии, а выигрыш рабочей поверхности керамического электролита при этом весьма скромный. Так, согласно представленному на фиг.2 в натуральную величину поперечному сечению известного аккумулятора увеличение рабочей поверхности керамического электролита составляет всего 22%. При этом наличие разницы в расстояниях от поверхности керамического электролита до токового коллектора может приводить к неоднородному распределению плотности тока в радиальном направлении и возможному созданию зон, не участвующих в реакции реагентов, и в конечном счете к снижению удельной мощности аккумулятора.

С целью повышения удельной мощности и упрощения технологии изготовления аккумулятора предлагается новая конструкция аккумулятора, в которой керамический электролит выполнен в виде тонкостенной пробирки из натриевого бета-глинозема, соединенной со стороны открытого нижнего конца с концом соосно расположенной тонкостенной трубы из того же материала большего диаметра, образуя полость между ними, в которую помещены катодные реагенты и тонкостенный цилиндрический токовый коллектор, равноудаленный от наружной поверхности керамической пробирки и внутренней поверхности керамической трубы, соединенной другим своим концом с керамическим изоляционным кольцом.

На фиг.3 представлено продольное сечение, а на фиг.4 - поперечный разрез заявленного аккумулятора.

Заявленный аккумулятор (фиг.3, 4) включает корпус - 1, натриевый анод - 2, тонкостенную керамическую пробирку на основе натриевого бета-глинозема - 3 и тонкостенную трубу из натриевого бета-глинозема 3', катодный реагент, включающий хлоралюминат натрия - 4, токовый коллектор - 5, керамическое изоляционное кольцо - 6.

Заявленный аккумулятор работает следующим образом. В зазоре между керамической пробиркой 3 и керамической трубой 3' размещены катодные реагенты - хлорнометаллический катод и жидкий электролит в виде хлоралюмината натрия 4, а также цилиндрический токосъемный токовый коллектор 5. В зазоре между корпусом 1 и керамическим электролитом 3 и 3' размещен натриевый анод 2. При разряде аккумулятора протекает электрообразующая реакция:

2Na+NiCl₂ (FeCl₂) Ni(Fe)+2NaCl, а при заряде реакция протекает в обратном направлении.

При внутреннем диаметре внешней трубы керамического электролита 40 мм и внешнем диаметре керамической пробирки 23 мм увеличение рабочей поверхности керамического электролита относительно цилиндрического варианта составляет 57%. Это существенно больше, чем увеличение рабочей поверхности керамического электролита прототипа, для которого это значение составляет 22%. При этом в 5-7 раз увеличивается рабочая поверхность токового коллектора и в 3-4 раза уменьшаются расстояния от керамического электролита до токового коллектора. Это выгодно отличает заявляемый аккумулятор от прототипа.

Источники информации

1. H.Bohm, G.Beyermann. ZEBRA batteries, enhanced power by doping. Journal of Power Sources 84 (1999), 270-274.

2. J.L.Sudworth. The sodium / nickel chloride (ZEBRA) battery. Journal of Power Soures 100 (2001), 149-163.