本发明涉及一种电化学单体，并且涉及一种包括多个这样的单体的电池组件；这样的单体和电池组件可在升高的温度下操作。
背景技术：
1、已知许多不同类型的电化学单体需要升高的温度来操作。这些单体包括其中电解质必须处于升高的温度以提供足够传导性的单体；以及其中电极必须处于升高的温度以使电极部件为液体的单体。一种这样类型的单体是熔融的钠-金属卤化物可再充电电池，诸如钠/氯化镍单体，其可被称为zebra单体(参见例如j.l.sudworth,“the sodium/nickelchloride(zebra)battery(钠/氯化镍(zebra)电池)”(j.power sources 100(2001)149-163)。钠/氯化镍单体包含液体钠负电极，该液体钠负电极通过传导钠离子的固体电解质与正电极分离。固体电解质可例如由β氧化铝组成。正电极包括镍、氯化镍和四氯铝酸钠，该四氯铝酸钠在使用期间是液体，并且充当辅助电解质，以允许钠离子从氯化镍传输到固体电解质。正电极还包含铝粉末。用诸如铁的其它过渡金属部分替代镍可导致额外的放电电压水平。单体在典型地低于350℃但必须高于四氯铝酸钠的熔点157℃的温度下操作，并且操作温度典型地在270℃和300℃之间。在放电期间，正常的反应如下：
2、阴极(正电极)：nicl2+2na++2e-→ni+2nacl
3、阳极(负电极)：na→na++e-
4、总体结果是(在阴极中的)无水氯化镍与(在阳极中的)金属钠反应以生成氯化钠和镍金属；并且单体电压在300℃下为2.58v。
5、wo 2019/073260中描述了一种改进类型的zebra单体，即熔融的钠-氯化镍可再充电单体。该单体使用电解质元件，该电解质元件包括非反应性金属的穿孔片和结合到该穿孔片的一个面的传导钠离子的陶瓷的非渗透性层。因此，在这种电解质元件中，强度可由金属片提供，并且这使得电解质厚度与常规的zebra单体中所需的厚度相比能够显著减小。这导致单体或电池可在显著较低的温度(例如低于200℃)下充分地起作用。此外，显著较薄的陶瓷层还显著地降低了由来自环境的加热引起的应力，因此从环境的启动时间可能只有几分钟。这两者都是商业上有利的益处。非渗透性层被结合到穿孔金属片，并且这种结合可通过多孔陶瓷亚层来实现。这样的单体包括金属外壳，该金属外壳可具有外围凸缘。
6、在wo2022-123246中描述了熔融的钠/氯化镍单体的备选形式，其中电解质也是可传导碱金属的离子的平面陶瓷片，并且穿孔平面惰性金属片紧邻陶瓷片，并且在其基本上整个区域上与陶瓷片接触，以为陶瓷片提供支撑。陶瓷片与穿孔的平面片单独地形成，而不是通过沉积到其上形成。
7、在这些单体中的每一个中，电解质将阳极室与阴极室分离，并且需要有密封件以确保阳极室和阴极室中的材料不会彼此接触或者泄漏到单体外；该密封件还防止空气与阳极室内和阴极室内的材料接触。在阳极室壳体和阴极室壳体之间存在密封件的情况下，密封件必须是电绝缘的，并且也能够承受单体的操作温度，该温度可能在200℃以上。
技术实现思路
1、根据本发明，提供有一种电化学单体，其包括两个电极隔室，一个是阳极隔室，并且另一个是阴极隔室，一个电极隔室部分地由第一金属板限定，并且另一个电极隔室部分地由第二金属板限定，其中，第一金属板为碟形并限定外围边沿，第二金属板为碟形并限定用于与第一板的外围边沿配合的边沿，并且该单体包括在第一板的外围边沿和第二板的边沿之间的密封元件；其中，该单体还包括与第二金属板的外围边沿的边缘间隔开并在该边缘外侧的伸出的外围套筒；并且该单体包括保持在外围套筒内的压缩套筒，该压缩套筒具有用于压缩密封元件的平坦面，以及邻近外围套筒的内面的第二面；其中，压缩套筒由外围套筒固连在适当的位置。
2、单体可为如上面所描述的改进的zebra单体，使得单体的阳极隔室在充电时包含碱金属，并且单体的阴极隔室在充电时包含可与碱金属的离子可逆地反应的阴极材料；其中，阳极隔室通过可传导碱金属的离子的陶瓷平面片与阴极隔室分离。因此，陶瓷片是单体电解质。
3、陶瓷的平面片例如可为矩形、正方形或任何其它多边形形状；它可具有倒圆拐角；或者它可为圆形的或椭圆形的。它决定了两个电极隔室之间发生的离子传导所通过的单体的区域。
4、伸出的外围套筒可与第一金属板成一体并由该第一金属板限定。备选地，伸出的外围套筒可为单独的部件。伸出的外围套筒可具有比第一金属板更厚的材料。压缩套筒由外围套筒固连，例如通过卷曲或卷折外围套筒的边缘，或者通过将压缩套筒例如通过焊接(诸如激光焊接或点焊)固定到外围套筒。将压缩套筒固定到外围套筒的备选方式将是通过使用粘合剂、或铆钉、或螺钉。
5、压缩套筒可具有金属，例如具有l形横截面的片。备选地，压缩套筒可具有绝缘材料，并且可基本上填充外围套筒和第二金属板的外表面之间的所有空间。在压缩套筒具有金属的情况下，单体还包括在压缩套筒的平坦面和第二板的外围边沿的外表面之间的电绝缘体。在任一种情况下，压缩套筒必须具有足够刚性以维持密封元件的压缩。如果该压缩套筒具有金属，则它可具有比第一金属板和第二金属板的材料更厚的材料；如果它具有l形横截面，则它可包括支柱或硬化元件，以将l形件的两个部分保持在它们的相对位置，并且因此防止该两个部分相对于彼此的弯折。
6、在单体具有陶瓷片作为其电解质的情况下，阳极隔室和/或阴极隔室优选地还包括惰性金属的穿孔平面片，该穿孔平面片紧邻陶瓷片并在其基本上整个区域上与陶瓷片接触，从而为陶瓷片提供支撑，该陶瓷片通过作为层沉积到穿孔金属片上而形成，或者备选地与穿孔平面片单独地形成。陶瓷电解质片必须对气体或液体为非渗透性的，但必须是在操作期间必须在阳极隔室和阴极隔室之间经过的离子的传导体。
7、碱金属可为锂、钠、钾或铷；钠是合适的金属。阳极隔室还可包括碳毡(carbonfelt)，优选地为高度多孔的，以在单体的充电和放电期间协助钠金属远离或朝向陶瓷片的传递。碳毡是高度多孔的，并且优选地为石墨的，并且可例如具有大约60kg/m3或更小的密度。例如，它可为具有100g/m2的面密度和大约1.5mm的厚度的毡。
8、形成穿孔片的金属在如下的意义上是“惰性”的：它在使用期间不与单体的与之接触的部件进行化学反应；例如，它可为金属，诸如镍、或者含铝铁素体钢(诸如作为fecralloy(tm)已知的类型)、或者当在空气中加热时形成导电性和粘附性氧化皮(scale)(例如crmn氧化物氧化皮)的钢。穿孔片可具有不大于1.0mm、或不大于0.5mm(例如0.1mm或0.2mm)的厚度。该片被穿孔，因此其具有非常大量的通孔，并且穿孔或孔可具有小于50μm(例如30μm或更小)的平均直径，或具有在50μm和300μm之间的平均直径，并且可例如通过激光钻孔过程或通过化学蚀刻来产生。通孔可使它们的中心以100μm和500μm之间(例如150μm)的距离间隔开。
9、穿孔片可具有围绕其外围的未被穿孔的边界(margin)；该边界可使穿孔片的外围更容易密封到单体的邻近部件。该边界可具有不超过15mm(例如10mm或5mm或3mm)的宽度。
10、穿孔片优选地在阳极隔室中，在那里，它将有助于将熔融的钠吸向陶瓷片的表面。它在陶瓷片的区域上与陶瓷片接触，该区域为在使用期间发生钠离子传导所通过的区域。穿孔片的边缘可焊接到邻近的阳极板。
11、如果陶瓷片电解质单独地形成，则穿孔片将通过碳毡承靠陶瓷片电解质或者通过由金属和陶瓷片电解质之间的多孔层的烧结而粘附到电解质来承靠陶瓷片电解质。通过在用来形成多孔层的组合物中包含烧结助剂，多孔层的烧结可在比用来形成陶瓷电解质层的温度更低的温度(例如在1100℃)下进行。穿孔片的金属优选地具有比陶瓷电解质片的热膨胀系数稍大的热膨胀系数，从而在单体的操作温度下，陶瓷片保持受压缩。
12、备选地，陶瓷片通过沉积到穿孔金属片上而作为层形成。在这种情况下，优选地在穿孔金属片和作为电解质的非渗透性离子传导陶瓷层之间存在多孔的液体可渗透的陶瓷亚层。沉积可使用陶瓷前体的浆料在两个阶段中进行，例如其中用于形成多孔且可渗透的亚层的浆料中的颗粒比用于形成陶瓷电解质层的浆料中的大。
13、部分地限定阳极隔室和阴极隔室的金属板也具有惰性金属，因为它们在使用期间不与相应的隔室的内容物进行反应。它们可为上面被提及为适合于穿孔片的金属。部分地限定阳极隔室的金属板可具有钢，例如不锈钢；部分地限定阴极隔室的金属板可例如具有镍或者在内侧表面上涂覆有镍的不锈钢。
14、这样的单体在升高的温度下操作。常规的钠/氯化镍单体或zebra单体在280℃或300℃下操作。操作温度部分地取决于电解质的性质及其离子传导性；具有薄层陶瓷作为电解质的单体可具有较低的操作温度，例如在175℃至225℃的范围中。在任何情况下，在单体部件之间的密封必须在升高的操作温度下保持紧密。该密封可利用诸如聚酰亚胺(例如，kaptontm)或ptfe的高温聚合物或者诸如云母或蛭石的电绝缘体的无机材料。这样的高温聚合物优选地不用来密封阳极隔室，因为它们可能与熔融的钠相互作用。
15、由于第一金属板是具有外围边沿的碟形，以这种方式形成的单体将限定的伸出的凸缘比单体的包含阳极隔室和阴极隔室的区域更薄。在多个这样的单体堆叠在一起以提供更高电输出的情况下，单体的温度可由传热流体(诸如空气)控制，该传热流体布置成在这样的凸缘之间的间隙中流动。
16、因此，多个这样的单体可组装成至少一个叠堆以形成电池组件。如上面所描述的每个单体都具有金属外壳，其相对的面具有相对的极性，使得单体可彼此直接接触地堆叠，其中所有单体都具有相同的取向，并且该叠堆的所有单体都是电串联的。如上面所描述的，在电池在升高的温度下操作的情况下，组件还可包括至少一个大体上矩形的框架，该框架限定矩形孔口以定位单体的叠堆，使得叠堆中的单体的凸缘邻近框架的壁。
17、框架可具有金属。备选地，框架可具有热绝缘材料，以抑制热量从单体损失到环境中，并且当在单体的操作温度下与单体热接触时，框架的强度和耐久性必须不受影响，该操作温度可高达200℃、300℃或400℃，这取决于单体的类型。合适的材料可具有小于300kg/m3的密度和小于0.05w/m.k的热导率。一种这样的材料是树脂结合的岩棉纤维片(通过使岩石熔融并由其形成纤维而制成)，例如以名称为rockwool(商标)可得的材料，其可具有100kg/m3或140kg/m3的密度和在0.03w/m.k和0.04w/m.k之间的热导率。另一种合适的材料是微孔气相二氧化硅材料，如由vacutherm以vacupor品牌出售的材料，并且该材料提供了甚至更好的热绝缘，其热导率可低至0.01w/m.k。
18、电池组件还可包括用于使传热流体穿过每个框架的矩形孔口的泵，使得传热流体在邻近框架的壁的单体的凸缘之间流动。该传热流体可为空气。在这种情况下，泵可为风扇。在操作期间，单体将生成热量，因此在操作期间传热流体将用来使热量从单体传递走，以使单体维持在最佳操作温度。
1.一种电化学单体，包括两个电极隔室，一个是阳极隔室，并且另一个是阴极隔室，一个电极隔室部分地由第一金属板限定，并且另一个电极隔室由第二金属板限定，其中，所述第一金属板为碟形并限定外围边沿，所述第二金属板为碟形并限定用于与所述第一板的所述外围边沿配合的边沿，并且所述单体包括在所述第一板的所述外围边沿和所述第二板的所述边沿之间的密封元件；其中，所述单体还包括与所述第二金属板的所述外围边沿的边缘间隔开并在所述边缘外侧的伸出的外围套筒；并且所述单体包括保持在所述外围套筒内的压缩套筒，所述压缩套筒具有用于压缩所述密封元件的平坦面、以及邻近所述外围套筒的所述内面的第二面；其中，所述压缩套筒由所述外围套筒固连在适当的位置。
2.根据权利要求1所述的单体，其中，通过卷曲或卷折所述外围套筒的边缘而由所述外围套筒固连所述压缩套筒。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的单体，其中，通过将所述压缩套筒固定到所述外围套筒而由所述外围套筒固连所述压缩套筒。
4.根据前述权利要求中任一项所述的单体，其中，所述伸出的外围套筒与所述第一金属板成一体并由所述第一金属板限定。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的单体，其中，所述伸出的外围套筒是具有大体上l形横截面的单独部件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的单体，其中，所述伸出的外围套筒具有比所述第一金属板更厚的材料。
7.根据前述权利要求中任一项所述的单体，其中，所述压缩套筒具有金属，并且所述单体还包括在所述压缩套筒的所述平坦面和所述第一板的所述外围边沿的外表面之间的电绝缘体。
8.根据权利要求7所述的单体，其中，所述压缩套筒是具有l形横截面的片。
9.根据权利要求8所述的单体，其中，所述压缩套筒具有比所述第一金属板更厚的材料。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的单体，其中，所述压缩套筒包括支柱或硬化元件，以将所述l形件的两个部分保持在它们的相对位置，并且因此防止所述两个部分相对于彼此弯折。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的单体，其中，所述压缩套筒具有电绝缘材料。
12.根据权利要求11所述的单体，其中，所述压缩套筒基本上填充所述外围套筒和所述第二金属板的外表面之间的所有空间。
13.根据前述权利要求中任一项所述的单体，其中，所述单体的所述阳极隔室在充电时包含碱金属，并且所述单体的所述阴极隔室在充电时包含能够与所述碱金属的离子可逆地反应的阴极材料，并且其中，所述阳极隔室通过能够传导所述碱金属的离子的平面非渗透性陶瓷片与所述阴极隔室分离。
14.一种电池组件，包括布置为叠堆的根据前述权利要求中任一项所述的多个单体，每个单体的外围限定伸出的凸缘，所述伸出的凸缘比所述单体的包含所述阳极隔室和所述阴极隔室的区域更薄，其中，传热流体布置成在限定在这样的凸缘之间的间隙中流动。
15.根据权利要求14所述的电池组件，其中，所述单体的叠堆布置在限定用于定位所述单体的叠堆的孔口的框架内，使得所述叠堆中的所述单体的所述凸缘邻近所述框架的壁。
