一种钠电池的供能结构及钠电池

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，具体涉及一种钠电池的供能结构。

背景技术

锂离子电池由于其较高的能量密度、较高的安全性能、优良的结构可塑性等众多优点，被广泛应用于便携类电子产品、新能源汽车及储能设备中。2010年后，随着动力电池及电化学储能领域对锂离子电池的需求越来越大，导致锂离子电池的材料供不应求，锂资源价格也随之上涨，因此寻找高性能低成本的新型储能系统对于实现碳中和的发展战略至关重要；

在众多的储能体系中，钠离子电池被认为是锂离子电池的理想替代品。首先在材料成本方面，钠元素在地壳中的丰度位于第6位，来源更加广泛，成本更加低廉，例如我们日常食用的食盐就是最常见的钠盐—氯化钠；最常见的氯化钠来源有海盐、湖盐以及岩盐(矿盐)等。其次在材料制备方面，锂离子电池正极材料的制备通常使用碳酸锂作为前驱体，而目前实验室中用于合成钠离子电池正极材料的前驱体包括碳酸钠、碳酸氢钠、醋酸钠、草酸钠、柠檬酸钠、硝酸钠、氢氧化钠甚至偶见关于金属钠的讨论，制备方法更加多样。在电化学反应原理上，钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作机理，同为摇椅式电池。正极可以采用过渡金属层状氧化物、普鲁士蓝类似物、聚阴离子化合物等、负极可以采用碳基、钛基、磷基等材料。相似的电池结构使得生产工艺可以套用锂离子电池的装配方法，降低了生产设备的研发成本。最后，钠离子电池的负极可以使用铝作为集流体，也大幅降低了电池的整体成本。此外，钠离子较高的标准电极电势使得钠离子电池具有更高的安全性能(可放电到0V)；

根据应用场景不同，钠离子电池主要可分为动力和储能两种。目前商业化的新能源汽车的动力电池以锂离子电池为主和少量燃料电池，钠离子电池用于电动汽车仍处于实验阶段。由于钠离子电池相对较低的能量密度，只能率先用于低速电动汽车以及部分低续航乘用车领域；

目前，钠离子电池的供能结构主要包括正极材料、负极材料、电解质、集流体和隔膜五个部分，在结构上与锂电池基本相同，其中正极材料、负极材料、隔膜的结构也均为简单的板体/片体上开设通孔的简单结构，简单的结构使得成品制作加工的成本相对较低，但随着机械化技术的发展，复杂的结构加工成本逐渐降低，原料成本逐渐增加，从而使得加工成本与原料成本的比值逐渐变小，因此，以增加加工复杂程度为代价减少材料成本支出的工业改良模式逐渐被提上日程，钠电池的研发亦是如此，与其他产业不同的是，钠电池处于发展初期，因此很多厂商还未投入大规模生产，因此多数制造机械尚未成型，其结构工艺的改良具有较大的可实施性。

发明内容

发明目的：针对钠离子电池部件结构单一，材料成本较高的缺点，本发明提供一种钠电池的供能结构。

技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种钠电池的供能结构，包括正极材料、限位板、隔膜、负极材料；所述限位板包括主板、限位体、第一副板和第二副板；所述限位体位于主板一侧，所述第一副板套设于主板上，所述第二副板位于主板另一侧并与第一副板之间具有间隔，所述第一副板与第二副板平行放置；

所述正极材料上设有若干与限位体匹配定位的限位孔，所述隔膜上设有供主板穿过的插孔；所述限位体插入限位孔中，主板穿过矩形插孔，隔膜靠近负极材料一侧与第一副板面对正极材料的一侧接触，隔膜与正极材料之间具有间隔；第二副板抵靠负极材料，隔膜与负极材料之间具有间隔。

进一步的，所述正极材料包括内板、外板和极柱；

所述内板包括内板本体和位于内板一侧弯折形成的卡扣；所述内板本体与外板的接触面上开有若干条内半柱形槽，所述内半柱形槽与卡扣一侧所在的侧边平行；内板本体上还开有与内半柱形槽位置相交的若干内通口，在垂直内半柱形槽方向上的两个相邻内通口之间开有内透气孔；所述内板本体上开有若干与限位体匹配的限位孔；

所述外板包括外板本体，所述外板本体的一侧设置有与卡扣配合设置的卡板，所述外板本体与内板的接触面上开有若干条外半柱形槽，当内板与外板贴合时，内半柱形槽与外半柱形槽共同组成一个完整的柱形通孔；所述外板本体上开有与内通口位置匹配且形状相同的外通口，当内板与外板贴合时，内通口与外通口共同组成一个通孔；所述外板本体上开有与内透气孔位置匹配且形状相同的外透气孔，当内板与外板贴合时，内透气孔与外透气孔共同组成一个通孔；

所述极柱从柱形通孔中贯穿插入。

进一步的，所述内板和外板的材料为五氧化二钒；所述极柱的材料为Na

进一步的，所述隔膜包括隔膜本体，所述隔膜本体上开设有若干隔膜孔，所述隔膜本体上还开设有供主板穿过的矩形插孔。

进一步的，所述负极材料包括负极板本体，所述负极板本体上开设有若干负极板孔。

进一步的，所述限位板和隔膜的材料相同，均为聚烯烃复合隔膜、纤维素隔膜、含氟聚合物隔膜、复合型隔膜中的一种。

进一步的，所述负极材料的材料为硬碳、软碳、钛基氧化物以及合金中的一种。

进一步的，还包括电解质和集流体，所述集流体包裹正极材料、限位板、隔膜、负极材料、电解质，电解质在集流体内流动。

进一步的，所述电解质选用有机液体电解质，所述集流体选用铝箔。

本发明还提供一种钠电池，所述钠电池具有本发明所述的钠电池的供能结构。

有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点如下：

(1)该钠电池的供能结构，通过在现有基础上增设限位板，实现对正极材料、负极材料和隔膜位置的简单限定，避免了由于隔膜局部破损而导致的正极材料、负极材料接触后的短路，同时使得正极材料和负极材料之间的相对距离可以得到很好的控制，使得钠电池的供能情况相对稳定。

(2)该钠电池的供能结构，采用五氧化二钒配合Na

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明正极材料结构示意图；

图3为本发明正极材料取出极柱后结构示意图；

图4为本发明正极材料内板结构示意图；

图5为本发明正极材料外板结构示意图；

图6为本发明限位板结构示意图；

图7为本发明隔膜结构示意图；

图8为本发明负极材料结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中的一种钠电池的供能结构，包括正极材料1、限位板2、隔膜3、负极材料4、电解质和集流体。

如图2所示，正极材料1包括内板12、外板13和极柱11，其中内板12和外板13材料均为五氧化二钒，极柱11材料为Na

如图4所示，内板12包括内板本体126和位于内板12一侧弯折而成的卡扣122，内板本体126为矩形。内板本体126与外板13的接触面上等间距地开有四条内半柱形槽121，内半柱形槽121为半圆柱型且与卡扣122一侧所在的侧边平行。内板本体126开有八个内矩形通口123，每两个内矩形通口123位于同一条内半柱形槽121上，且每个内矩形通口123关于其所在的内半柱形槽121的中线对称。四列内矩形通口123之间开有三列内透气孔124，每列有六个内透气孔124，每列内透气孔124的中点位置开有与限位体22匹配的限位孔125。

如图5所示，外板13包括外板本体133，外板本体133的一侧设置有与卡扣122配合设置的卡板132，卡扣122与卡板132相互配合扣紧，使内板12和外板13紧密贴合。外板本体133上设有与内半柱形槽121位置匹配应且数量相等的外半柱形槽131，当内板12与外板13贴合时，内半柱形槽121与外半柱形槽131组成一个完整的柱形通孔14，供极柱11插入，如图3所示。外板本体133上设有与内矩形通口123位置匹配应且数量相等的外矩形通口134，当内板12与外板13贴合时，内矩形通口123与外矩形通口134共同组成一个矩形通孔，此矩形通过可供电解液流动穿过。外板本体133上开有与内透气孔124位置匹配且形状相同的外透气孔135，当内板12与外板13贴合时，内透气孔124与外透气孔135共同组成一个通孔。

极柱11插入柱形通孔14中，极柱11形状一般为圆柱体；也可为圆柱体基础上在内矩形通口123处进行加粗后所形成的形状，局部的加粗用于限定极柱11相对于内板12和外板13的位置；同时也可为在以上基础或圆柱体基础上在柱形通孔14出进行变细后所形成的形状，局部的变细用于极柱11材料用量，以此减少成本的支出。

如图6所示，限位板2包括主板24、限位体22、第一副板21和第二副板23，限位板2材料为聚烯烃复合隔膜、纤维素隔膜、含氟聚合物隔膜、复合型隔膜中的一种。主板24为长方体，限位体22位于主板24最小侧面的中心位置，限位体22为半球体；第一副板21为长方体，套设于主板24上，第二副板23也为长方体，安装在主板24上，第二副板23与主板24的接触面为限位体22所在平面的相对面；第一副板21与第二副板23平行放置。

如图7所示，隔膜3包括隔膜本体32，隔膜本体32上开设有三列隔膜孔31，每列包括对称分布的四个隔膜孔31，每列隔膜孔31的中间位置开有可供主板24穿过的矩形插孔33。隔膜3材料与限位板2选用材料一致，也为聚烯烃复合隔膜、纤维素隔膜、含氟聚合物隔膜、复合型隔膜中的一种。

如图8所示，负极材料4包括负极板本体42，负极板本体42上均匀对称地开设有呈3×4网格分布的十二个负极板孔41。负极材料4的材料为硬碳、软碳、钛基氧化物以及合金中的一种。

电解质选用有机液体电解质，集流体选用铝箔。

本发明中，共三个限位板2上的三个限位体22分别插入对应的限位孔125中，主板24穿过矩形插孔33，隔膜3靠近负极材料4一侧与第一副板21面对正极材料1的一侧接触，隔膜3与正极材料1之间具有间隔；第二副板23抵靠负极材料4，隔膜3与负极材料4之间具有间隔。通过限位板2，对正极材料1、负极材料4和隔膜3位置的简单限定，避免了由于隔膜3局部破损而导致的正极材料1、负极材料4接触后的短路，同时使得正极材料1和负极材料4之间的相对距离可以得到很好的控制，使得钠电池的供能情况相对稳定。集流体包裹正极材料1、限位板2、隔膜3、负极材料4、电解质，电解质在集流体内流动。

钠电池工作时依靠钠离子在正极材料1和负极材料4之间移动进行工作：充电时，钠离子从正极材料1脱嵌，在电解液中游动穿过隔膜3嵌入负极材料4，负极材料4处于富钠状态；放电时则相反；由于钠离子电池工作原理以及电池材料与锂离子电池高度相似，电池生产的工艺和设备可以复用。