CN109786862B - 一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池，属于电化学储能电池领域。该液态金属电池包括电池壳体、负极电流收集器、负极材料、金属网或金属板、栅格、电解质、正极材料、矩形孔和正极电流收集器。所述的正极材料、电解质和负极材料自下而上填充于电池壳体中；正极材料密度＞电解质密度＞负极材料密度；负极材料和正极材料的外侧各自设置负极电流收集器和正极电流收集器；置于电池壳体内部的栅格是由呈交叉式的隔板组成，并依次穿过负极材料、电解质和正极材料；栅格上开设矩形孔，矩形孔在竖直方向上的高度大于电解质充电或放电时的最大位移量。本发明通过改变磁场及流场的空间分布实现了抑制流体流动的不稳定性。

Description

一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池

技术领域

本发明属于电化学储能电池领域，具体涉及一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池。

背景技术

能源、资源及生活环境是人类社会发展进步的三要素。伴随着经济快速发展，作为世界能源主要来源的不可再生化石燃料的消耗量逐年增加。其直接影响就是大气中的二氧化碳的含量增加、地球变暖、生态环境恶化、自然灾害频发等等。所以发展并使用新型、清洁、可再生能源(如：风能、潮汐能、太阳能及生物质能等)已成为各国发展的主题。据《BP世界能源统计》，2017年，世界一次能源消费的增量约有60％来自于天然气和可再生能源；煤炭在一次能源中占比下降至27.6％，为2004年以来的最低水平；可再生能源发电增长了17％，其中一半以上来源于风力发电，三分之一以上来自于太阳能。然而，这些清洁可再生能源目前仍存在稳定性差、二次能源浪费多等缺点，如：由于风速变化，则由风力发电机所产生的电能也是随之波动的；受季节、昼夜及天气等因素影响，即使是同一地区的太阳能发电量也会随光照时间和强度变化而不同。可再生能源发电量的波动一方面影响电网的稳定，另一方面也容易使发电与电能消费间存在时间差异、电能浪费等问题。一种新型清洁能源可以被广泛认可并迅速推广及使用的前提是它可以稳定、持久的输出能量，而要使存在较大波动的风能、太阳能及潮汐能等清洁能源可以稳定持久的提供电能，那么能量转换装置与能量消耗装置中间就必须引入一个能量存储装置。它的存在不但能够很好的平衡能量供应与能量需求，避免电网内部的电能随着能量的输入或输出而产生比较大的波动；而且能量存储装置的存储能力还可以直接影响可再生资源的发展速度。

尽管当前已经有多种能源存储装置，如电气储能、超导储能(SMES)、电化学储能(锂离子电池、钠硫电池及液流电池等)，但是它们目前所存在的缺点使之不适合用于新能源与电网之间。对于电气储能而言，它的能量密度较电池低，直接导致的结果就是其续航能力较差；对于超导储能而言，它的成本很高而且可靠性较差；而对于电化学储能而言，不同材质的电池存在的缺点也各不相同，如，锂离子电池的能量密度和功率密度较高，但是其储能成本高(>5000元/kWh)，与大规模储能市场的目标价格(<1500元/kWh)相去甚远。尽管我国锂电市场的储能成本在逐年下降，但是受关键材料、技术等因素的影响，锂电池储能价格仍处于高位。即使国际上技术比较成熟且储能成本相对较低的钠硫电池和全钒液流电池，储能成本也分别在3000元/kWh和5000/kWh元以上，其成本仍然较高。当然，其他储能方式如水力储能、压缩气体储能等易受地形环境限制(成本也很高)，所以也很难推广。鉴于此，美国麻省理工学院教授D.R.Sadoway于2007年提出液态金属电池的概念，它是一种专门用于大规模电力系统储能的新型电池。

液态金属电池运行时正/负极金属均呈液态，电解质为熔融态无机盐，在选择电极和电解质时，上层负极液态金属密度最小，下层正极液态金属密度最大，中间熔盐电解质层密度居中。因为正、负极液态金属和熔盐电解质互不混溶，所以三者由于密度差而自动分成三层，工作原理示意图如图1所示。其具体充/放电过程为：放电时，电子通过外电路迁移到正极，同时，负极金属A失去电子，电化学氧化成A离子，通过熔盐电解质迁移到正极与正极金属B形成A-B合金；在正极聚集的A离子越多，形成的A-B金属层越厚，意味着电池的放电容量越大；相反，充电时，电子通过外电路从正极迁移到负极，同时，正极A-B合金还原成A离子，A离子从正极通过熔盐电解质层迁移到负极A层，在负极与电子结合形成金属A，在负极聚集的A离子越多，行成的A金属层越厚，即电池的充电容量越大。这就是液态金属电池在充/放电过程中的离子反应过程。

该过程可用化学方程式来表示，如下所示：

放电时：

正极：A^Z++ze^-+B→A-B

负极：A→A^z++ze^-

充电时：

正极：A-B→A^z++ze^-+B

负极：A^z++ze^-→A

液态金属电池总反应化学式：

液态金属电池的特殊设计使其具有较好的储能性能，并且随着液态金属电池尺度的增加其成本会不断降低。首先，液态电极的使用在很大程度上克服了固态电极所固有的较慢动力学特性，同时液态熔盐超高电导率也大大提升了电解质的离子迁移率，使得液态金属电池即使在几A/cm²的电流密度下充/放电，依然能够保持较高的能量效率；其次，液态电极不存在因长期使用而造成的电极形变和枝晶生长等影响电池寿命及安全性能的因素，因此可以长期安全使用；再次，液态熔盐电解质隔离正、负极液态金属，电池无需特殊隔膜，既降低了电池的成本，又使得电池体系容易放大和生产；最后，由于不存在隔膜技术的制约，且电极和电解质来源广泛、价格较低，所以液态金属电池最能够满足目前市场对大规模储能的价格预期。另外，液态金属电池的高倍率充/放电性能及电池系统的可放大性，使得液态金属电池能满足能量型和功率型双重应用，在大规模储能中有着广阔的应用前景。

发明内容

本发明意在提出一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池。新型液态金属电池的重要创新就在于一种新型结构装置——栅格结构装置。所加入的栅格结构装置可以有效抑制方形截面液态金属电池内部的多种不稳定性(界面晃动不稳定性、泰勒不稳定性、Rayleigh–Bénard对流及液态负极内的电涡流等)。基本原理是利用特殊的栅格结构装置以有效改变磁场及流场的空间分布，实现抑制液态金属电池内部多种不稳定性的作用，从而避免电池短路。同时，由于临界电压或电流的大幅提升，其充电效率也大幅提升。

目前，所用的大多数液态金属电池模型及产品要么都只包含两项液体(电解质和正极材料为液体，或正、负极材料为液体)，而剩余的一项为固体；要么只是小型液态金属电池。其根本原因就在于，当正、负极及电解质全为液体时，大型液态金属电池内部的稳定性问题得不到有效控制。当三项全为液体时，液态金属电池由于三种液体的密度不同且互不混溶，在重力的作用下，自动分成三层。最底层的为正极材料(密度最大)；中间层为电解质(为负极材料对应的卤族无机盐、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐或其他形式无机盐中的一种或多种混合物,也可以包含正极材料或其他不活泼元素对应的无机盐中的一种或多种混合物)；最上层为负极材料(密度最小)。对于这种三项全为液体的液态金属电池，在其正、负极还需要安装电流收集器。其作用是连接外部导线(电缆)与电池内部液态电极，使电源或负载可以与液态金属电池内部的液体成分组成回路。在液态金属电池充/放电过程中，极易由于内部的流体流动不稳定性等原因造成电池短路。为此，我们创新性地提出在电池内部固定一个由隔板组成的特殊栅格结构装置，通过改变磁场及流场的空间分布来抑制流体流动不稳定性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池，其特征在于，该液态金属电池包括电池壳体1、负极电流收集器2、负极材料3、金属网或金属板4、栅格5、电解质6、正极材料7、矩形孔8和正极电流收集器9；所述的正极材料7、电解质6和负极材料3自下而上填充于电池壳体1中；正极材料7和负极材料3均为液态金属或合金；电解质6为液态高温熔融盐；其中，正极材料7密度＞电解质6密度＞负极材料3密度；负极材料3和正极材料7的外侧各自设置负极电流收集器2和正极电流收集器9；置于电池壳体1内部的栅格5是由呈交叉式的隔板组成，并依次穿过负极材料3、电解质6和正极材料7；栅格5的顶端与负极电流收集器2之间没有间隙，以避免因电流密度不同而推动顶部的负极材料3流动；栅格5的底端低于电解质6在充电过程中向下移动的最大位移量并延伸至正极材料7高度(以电池装配时的正极材料原始高度为基准)的2/3～1/2处，以保证栅格5在液态金属电池的整个充、放电过程中能够始终抑制不稳定性的发生；栅格5内部设置金属网或金属板4；栅格5上开设矩形孔8，矩形孔8在竖直方向上的高度大于电解质充电或放电时的最大位移量，以保证两种不同液体的交界面处于同一水平面上，并防止感生磁场在整个液态金属电池内部形成环路。

所述的栅格5由相互交叉的隔板组成，隔板在方形截面液态金属电池的任意水平截面内以网格状的形式均匀排布。

所述的栅格5与液态金属电池的侧壁之间没有间隙；所述的栅格5的顶端直接嵌入负极电流收集器2中或与负极电流收集器2直接接触，栅格5的底端低于电解质6在充电过程中向下移动的最大位移量并延伸至正极材料7高度(以电池装配时的正极材料原始高度为基准)的2/3～1/2处；组成栅格5的隔板的厚度为电池壳体1宽度的1/60～1/100；所述的栅格5的材质为电绝缘、绝磁、耐腐蚀材质。

所述的栅格5在任意水平截面内，除栅格5后流体区域的截面积约占方形截面液态金属电池总横截面积的

所述的矩形孔8的设置规则为：首先矩形孔8只能贴近液态金属电池内壁或交叉隔板的交界处；其次，不存在任何圆柱面可以依次穿过4个或更多的矩形孔而封闭成环；再次，每个由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的同一棱边不能同时存在两个及以上的矩形孔；最后，矩形孔8的宽度上限不能超过由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的棱边边长的1/5,下限以保证流体(液态金属或者电解质)顺畅流动(如4毫米)为最小尺寸。

所述矩形孔8的顶端高于方形截面液态金属电池放电时电解质层上移的最大位移；矩形孔8的底端须低于电解质6在充电过程中向下移动的最大位移量并延伸至正极材料7高度(以电池装配时的正极材料7原始高度为基准)的2/3～7/12处(当栅格5的底端只延伸至正极材料7原始高度的2/3时，矩形孔8的底端与栅格5的底端平齐)。

所述的电解质6的厚度为方形截面液态金属电池1高度的1/9～1/40。当然，对于相同尺寸的液态金属电池而言，电解质所能选择的极限厚度与所加入的隔板数量有关。组成栅格5的隔板数量越多，在不影响液态金属电池稳定性的情况下，可选择的电解质6层的极限厚度越薄。

所述的负极电流收集器2和正极电流收集器9为铜、不锈钢或钛合金等材质。

所述的栅格5为内含金属网或金属板4的陶瓷板。

所述的电池壳体1的材质为电绝缘体、耐高温、耐腐蚀材质。

所述的电池壳体1优选为内含金属网或金属板4的方形陶瓷筒；并且在需要安装栅格5的地方开有凹槽。

所述的负极材料3可以从元素周期表IA、IIA、IIIA、IVA及IIB列选取，如一般选为Ba、Ca、Cs、K、Li、Mg、Na、Rb、Sr中的一种或多种材质的混合物；

所述的正极材料7可以从元素周期表VIIIB、IB、IIB、IIIA、IVA、VA及VIA列选择，如一般选为Al、Bi、Cd、Ga、Hg、In、Pb、Sb、Sn、Te、Ti及Zn等中的一种或多种的混合物；

所述的电解质6为负极材料对应的卤族无机盐、硫酸盐、碳酸盐、硝酸盐或其他形式无机盐中的一种或多种混合物，也可以包含正极材料或其他不活泼元素对应的无机盐中的一种或多种混合物。

本发明中，为了验证所述栅格结构装置对于液态金属电池中多种不稳定性的抑制作用，在数值实验中采用在液态金属电池正、负极两端外加电压的方式(通过欧姆定律可以折算成对应的电流)模拟液态金属电池充电过程中的外加电压。对于未加栅格结构装置的液态金属电池，当数值实验中外加电压达到某一电压值时(即液态金属电池内充/放电电流达到某一电流值时)，液态金属电池内部流体发生流动不稳定性，此即该电池失稳的临界电压值(也可折算成相应的充/放电临界电流值)。本发明中的“临界电压”均指代液态金属电池发生失稳时的充/放电临界电流值对应的数值实验中的电压值。

由于电解质的电导率通常比正、负极液态金属的电导率低2～3个数量级，因此，在液态金属电池充/放电过程中，在电解质与正、负极两种液态金属的两个交界面处存在横向电流分量(与液体金属电池轴线方向相垂直)。也正是因为电解质的电导率比正、负极液态金属的电导率低，在电解质层会产生大量焦耳热从而引起Rayleigh–Bénard对流(热对流不稳定性的一种)。当施加的电流/电压低于或等于临界电流/电压时，充/放电电流所产生的感生磁场与交界面处的横向电流所产生的洛伦兹力不足以克服液态金属的粘性力，此时，液态金属电池可以正常工作。当施加的电流/电压略大于临界值时，此时，上层交界面(电解质与负极液态金属交界面)将率先出现波动，并同时绕着液态金属电池的轴线转动。由于这种波动的出现，导致整个电解质层厚度不均匀，较薄区域通过的电流密度增大，较厚区域通过的电流密度减小。而且，一旦出现电解质层厚度不均匀，这种波动情况会因为自加速而迅速加剧，直至液态金属电池出现短路。

本发明的有益效果：

(1)由于所置入的栅格结构装置的顶端与负极电流收集器之间没有间隙或直接嵌入负极电流收集器内，所以有助于均匀化进出负极电流收集器的电流，有效抑制负极液态金属内的电涡流。另外，由于电流收集器的厚度相对较小，这种设计，尤其是栅格嵌入负极电流器的方法，使得负极电流收集器内的电流与液态金属电池内部的电流近乎成90度，从而局部有纵向磁场产生。研究表明，纵向磁场的存在有助于抑制液态金属内部的泰勒不稳定性。

(2)因为底层液态金属(正极)密度较大，通常情况下该层液态金属流动极其缓慢或处于静止状态，所以容易形成固相金属间化合物。所形成的化合物易粘附液态金属电池内壁面或拱起造成液态金属电池内部短路。而所置入的栅格结构装置的底端只延伸至正极材料7原始高度(以电池装配时的正极材料7原始高度为基准)的2/3～1/2处，栅格结构的底端与正极电流收集器之间还存在一定的间距，所以在正极液态金属内部容易形成电涡流，促使底层液态金属流动。流动的正极液态金属可有效抑制固相金属间化合物的生成。

(3)由于栅格的置入，使得电解质层处的特征尺度发生改变，从而抑制Rayleigh–Bénard对流的发生。

(4)泰勒不稳定性发生的基本因素有两个，充/放电电流和环形自感磁场。为了提高充/放电效率，通常采用较高的充/放电电流。充/放电电流的大小直接决定了液态金属电池内部环形自感磁场的大小。研究发现，扁平型液态金属电池不易发生泰勒不稳定性但是电池容量较小，细高型液态金属电池容量大但是易发生泰勒不稳定性。研究还发现，相同电流强度下，液态金属电池的有效半径越大，则环形磁场的强度越弱，泰勒不稳定性也就更不容易发生；反之，液态金属电池的有效半径越小，则环形磁场的强度越大，泰勒不稳定性也就更容易发生。而栅格结构的引入将原液态金属电池平均分成n份(n等于由交叉隔板或隔板与电池内壁所形成的方格总数)，即每个方格的有效半径减小为原来的

而电流也减弱至为原来的1/n，充/放电电流产生的感生磁场也将相应减弱为原来的

以加入由三对隔板组成的栅格为例，每个方格内的感生磁场约减弱为原来的1/4，所以，在液态金属电池内部引入栅格装置可以有效抑制泰勒不稳定。

附图说明

图1(a)为液态金属电池放电过程工作原理示意图。

图1(b)为液态金属电池充电过程工作原理示意图。

图2(a)为液态金属电池内置一对隔板的栅格装置的总体结构示意图(A-A剖视图)。

图2(b)为图2(a)的B-B剖视图。

图3(a)为需要加入两对隔板的栅格装置时，栅格的结构示意图(A-A剖视图)。

图3(b)为图3(a)的B-B剖视图。

图4(a)为需要加入三对隔板的栅格装置时，栅格的结构示意图(A-A剖视图)。

图4(b)为图4(a)的B-B剖视图。

图5(a)为未加入栅格装置且E＝64V时，电解质层的3D形态图

图5(b)为未加入栅格装置且E＝64V时，电解质层位于XOZ坐标面内的2D形态图

图5(c)为未加入栅格装置且E＝64V时，电解质层位于YOZ坐标面内的2D形态图

图5(d)为未加入栅格装置且E＝65V时，电解质层的3D形态图

图5(e)为未加入栅格装置且E＝65V时，电解质层位于XOZ坐标面内的2D形态图

图5(f)为未加入栅格装置且E＝65V时，电解质层位于YOZ坐标面内的2D形态图

图6为未加入栅格装置时，液态金属电池内部流体流线图。其中，(a)中E＝64V，(b)中E＝65V，(c)中E＝70V。

图7(a)为加入三对隔板的栅格装置且E＝140V时，电解质层的3D形态图

图7(b)为加入三对隔板的栅格装置且E＝140V时，电解质层位于XOZ坐标面内的2D形态图

图7(c)为加入三对隔板的栅格装置且E＝140V时，电解质层位于YOZ坐标面内的2D形态图

图7(d)为加入三对隔板的栅格装置且E＝142.5V时，电解质层的3D形态图

图7(e)为加入三对隔板的栅格装置且E＝142.5V时，电解质层位于XOZ坐标面内的2D形态图

图7(f)为加入三对隔板的栅格装置且E＝142.5V时，电解质层位于YOZ坐标面内的2D形态图

图8为加入三对隔板的栅格装置时，液态金属电池内部流体流线图。其中，(a)中E＝140V，(b)中E＝142.5V。

图9为当置入不同隔板数量的栅格装置时，液态金属电池稳定运行时的外加临界电压值。

图2中：1电池壳体；2负极电流收集器；3负极材料；4金属网或金属板；5栅格；6电解质；7正极材料；8矩形孔；9正极电流收集器。

图5～8中：E为数值实验中所施加的电压。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施进行详细说明。

本发明主要创新点：液态金属电池的电容量与液态金属电池的结构设计及其横截面形状直接相关，例如：对于体积相同的圆柱形液态金属电池而言，细高型的比矮胖型的液态金属电池的电容量高。由于液态金属电池的内部全为液体，并由于重力作用而自动分成上、中、下三层(分别对应于电池的负极、电解质及正极)。液态金属电池的这种特殊设计促成了其结构简单及容易组装、价格低廉、使用寿命长等特点。然而，典型的液态金属电池也存在其固有的缺点，如：液态金属电池只能在静止的环境中使用；在液态金属电池充/放电过程中，电解质层会随之上、下移动，在此过程中，电解质与负极材料或正极材料的界面由于受表面张力及电磁力的影响，容易出现界面晃动，引发电池短路；由于流体的粘性(通常是正极材料，其粘度较高)及相对于固体的润湿性不同，在电解质层上、下移动时，可能发生液态金属粘附电池壳体而导致短路；在充/放电循环过程中，电解质层和正极材料的交界面处容易生成固相金属间化合物，该化合物同样会粘附壁面(有时也会拱起)而引发短路；由于液态金属电池必须在高温(>250℃)环境下工作，且电解质层会产生大量焦耳热，所以液态金属电池内部容易存在温差而发生Rayleigh–Bénard对流；由于电流收集器连接外部电缆或导线部分与连接内部液态电极部分的横截面面积存在较大差异(通常，电流收集器的厚度较薄)，导致液态金属电池内部由于电流密度不均产生电涡流，最终引发液态金属电池短路；在液态金属电池充/放电，并且当充/放电电流超过其临界电流(通常在千安量级或更高，该值与液态金属电池的体积、所采用的材料及电解质层的厚度有关)时，液态金属电池内部还存在“腊肠”(sausage instability)或“扭曲”不稳定性(kink-typeinstability)——泰勒不稳定性。泰勒不稳定性是液态金属电池内固有的主要不稳定性之一，也会引起液态金属电池短路。本发明正是针对液态金属电池的这些缺点提出了全新的内部结构设计——栅格结构装置。所加入的栅格结构装置与负极电流收集器之间没有间隙或直接嵌入负极电流收集器内，这种设计可以使液态金属电池在充/放电过程中流入/出电池负极的电流均匀化，有效抑制电涡流的产生。另一方面，栅格并未延长到正极电流收集器处，因此，在电池充/放电过程中，由于栅格存在厚度而增加了电池正极附近液态电极内电流密度的不均匀性，促使底层电极内电涡流的产生，推动正极材料流动，有效抑制固相金属间化合物的生成。为了保证两种不同液体的交界面处于同一水平面上，栅格纵向上须开有矩形孔。为了防止由于流体粘附隔板而造成液态金属电池短路的情况，矩形孔的顶端必须高于液态金属电池放电时电解质层上移的最大位移，而矩形孔的底端低于电解质在充电过程中向下移动的最大位移量并延伸至正极材料高度(以电池装配时的正极材料原始高度为基准)的2/3～7/12处；矩形孔的宽度则以不影响液态金属及电解质的自由流动为最小尺寸标准(如4mm)，以不得大于由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的棱边边长的1/5为最大尺寸标准。另外，为了便于加工及安装，当组成栅格结构的隔板多于一对时，需采用特殊设计：当组成栅格结构的隔板数量为偶数对时，受矩形孔的分布条件限制，需采用中心对称结构，并采用拼接方式安装(如：当置入两对隔板组成的栅格时，采用两段式拼接)，如图3所示；当组成栅格结构的隔板数量为奇数对时，受矩形孔的分布条件限制，可采用轴对称或中心对称结构，并采用拼接方式安装(如：当加入三对隔板组成的栅格时，采用三段式拼接)，如图4所示。

实施例1

一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池，液态金属电池的基本结构为：该液态金属电池包括电池壳体1、负极电流收集器2、负极材料3、金属网或金属板4、栅格5、电解质6、正极材料7、矩形孔8和正极电流收集器9；所述的正极材料7、电解质6和负极材料3自下而上填充于电池壳体1中；正极材料7和负极材料3均为液态金属或合金；电解质6为液态高温熔融盐；其中，正极材料7密度＞电解质6密度＞负极材料3密度；负极材料3和正极材料7的外侧各自设置负极电流收集器2和正极电流收集器9；置于电池壳体1内部的栅格5是由呈交叉式的隔板组成，并依次穿过负极材料3、电解质6和正极材料7；栅格5的顶端与负极电流收集器2之间没有间隙，以避免因电流密度不同而推动顶部的负极材料3流动；栅格5的底端低于电解质6在充电过程中向下移动的最大位移量，但并不延长到正极电流收集器9，以保证栅格5在液态金属电池的整个充/放电过程中能够始终抑制不稳定性的发生；栅格5内部设置金属网或金属板4；栅格5上开设矩形孔8，矩形孔8在竖直方向上的高度须大于电解质充电或放电时的最大位移量，而矩形孔8的宽度则以不影响液态金属及电解质的自由流动为最小尺寸标准(如4mm)，以不得大于由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的棱边边长的1/5为最大尺寸标准，以确保两种不同液体的交界面处于同一水平面上，并防止感生磁场在整个液态金属电池内部或贯通多个方格而形成封闭环路。

本实施例中组成栅格5的隔板数量及排布方式为：如图2(b)所示，在液态金属电池横截面内只有一横一竖两张隔板，此时，我们称所加入的栅格5由一对隔板组成。

本实施例设置矩形孔8的方式为：如图2(b)所示，置入一对隔板时，因为在液态金属电池对称中心线附近感生磁场很弱，所以在两隔板交界线处开有矩形孔8，以保证两个液态交界面分别处于同一水平面内。另外，为防止液态金属电池充/放电时，在电解质6上、下移动过程中，由于液态金属粘附隔板而造成液态金属电池短路的情况，矩形孔8在液态金属电池高度方向上的尺寸也应该大于电解质6充/放电时的最大位移量，而矩形孔8的宽度则以不影响液态金属3、7及电解质6的自由流动为最小尺寸标准(如4mm)，以不得大于由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的棱边边长的1/5为最大尺寸标准。

实施例2

液态金属电池的基本结构与实施例1相同，但是本实施例中组成栅格5的隔板数量及排布方式为：如图3(b)所示，此时，隔板1I和1II共面，隔板2I与2II共面，我们称所加入的栅格5由两对隔板组成(隔板1与隔板1I、1II共同组成一对；隔板2与隔板2I、2II共同组成一对)。

本实施例设置矩形孔8的方式为：图3(b)给出的是，当组成栅格5的隔板数量增加到两对时，栅格5的结构设计图。由于隔板数量的增加，需要保证两种液体交界面处于同一水平面上的同时，还需要防止感生磁场在整个液态金属电池内部或贯通多个方格而形成封闭环路(理想情况下，应该在每个方格内形成环形磁场)，所以栅格5上所开设的矩形孔8只能贴近液态金属电池内壁或交叉隔板的交界处；其次，不存在任何圆柱面可以依次穿过4个或更多的矩形孔而封闭成环；最后，每个由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的同一棱边不能同时存在两个及以上的矩形孔。为了便于加工，整个栅格5采用中心对称设计，并采用两段拼接方式安装。

实施例3

液态金属电池的基本结构与实施例1相同，但是本实施例中组成栅格5的隔板数量及排布方式为：如图4(b)所示，此时，隔板1I、1II及1III共面，隔板2I、2II及2III共面，隔板3I、3II及3III共面，我们称所加入的栅格5由三对隔板组成(隔板1与隔板1I、1II及1III共同组成一对，隔板2与隔板2I、2II及2III共同组成一对，隔板3与隔板3I、3II及3III共同组成一对)

本实施例设置矩形孔8的方式为：图4(b)给出的是，当组成栅格5的隔板数量增加到三对时，栅格5的结构设计图。同样，为了保证两种液体交界面处于同一水平面上的同时，还需要防止感生磁场在整个液态金属电池内部或贯通多个方格而形成封闭环路(理想情况下，应该只在每个方格内形成环形磁场)，所以栅格5上所开设的矩形孔8只能贴近液态金属电池内壁或交叉隔板的交界处；其次，不存在任何圆柱面可以依次穿过4个或更多的矩形孔而封闭成环；最后，每个由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的同一棱边不能同时存在两个及以上的矩形孔。为了便于加工，加入三对隔板时，栅格5采用3段式设计，整体为轴对称或中心对称分布。

实施例4

为了验证所提出的新型栅格结构装置对于抑制液态金属电池内部多种不稳定性的有效性，本实施例采用数值实验方式进行验证。本专利所采用的物理模型是根据物理问题简化后得到的。首先，所用的负极材料3、电解质6及正极材料7的磁导率均假定为真空磁导率；其次，所用的物理模型忽略了所置入栅格5厚度的影响；再次，忽略了液态金属电池内部的化学反应过程。所用物理模型具体如下：

1.采用100mm x 100mm x 450mm的方形截面液态金属电池，内部包含的三层液体分别是Li||LiCl-KCl||Pb-Bi(具体物性参数详见表1)。

2.所述的栅格5与液态金属电池的侧壁之间没有间隙；所述的栅格5的顶端延伸至负极材料的1/4处，底端延伸至正极材料的3/4处(因为忽略了栅格5厚度的影响及液态金属电池内部的化学反应，所以此处栅格5的高度与专利正文及权利要求中提出的高度要求略有不同)。另外，栅格5的材质选为电绝缘、绝磁、耐腐蚀材质。

3.因为是采用数值方法进行验证(与真实的液态金属电池需先加入固体金属然后加热得到液态金属不同，数值实验中的模型通过初始化就可以保证液态金属A、B与电解质的交界面在初始状态时就分别处于同一水平面内)，不存在不同方格内不同流体交界面高度不同问题，所以无需设置矩形孔8。

4.所述的电解质6厚度为方形截面液态金属电池1高度的1/9。

5.所述的电池壳体1的材质为电绝缘体、耐高温、耐腐蚀材质。

6.所述的组成栅格5的隔板的厚度为0mm，设置为电绝缘、绝磁、耐腐蚀材质。

分别在没有加入栅格5和加入由不同数量隔板组成栅格5的情况下进行数值实验。数值结果显示，本发明所提出的结构可以大幅提升液态金属电池的临界充/放电电压或电流，能有效抑制液态金属电池内部的多种不稳定性。以下，选取其中两组验证算例(未加入栅格5及加入由三对隔板组成的栅格5)来具体说明该结构的有效性。

表1. 500℃时，液态金属电池(Li||LiCl-KCl||Pb-Bi)的物性参数

表1给出了数值实验时所用的液态金属、电解质及其对应的物性参数。数值实验中的外加电压仅为了获得流经液态金属电池内部的充/放电电流。图5(a)至5(f)给出了未加入栅格5时，液态金属电池稳定状态及失稳时电解质层的2D及3D形态图。如图5(a)至5(c)所示，当我们所施加的电压为64V时，电解质层未发生震荡，上、下交界面仍然保持在各自的水平面内，即液态金属电池处于稳定状态；但是，当我们所施加的电压达到65V时，如图5(d)至5(f)所示，电解质层失去原始形态，呈现浪花状，此时液态金属电池的两种液态金属(A和B)将直接接触，即液态金属电池因失稳而短路，其内部的温度也将骤然剧升而发生危险。图6(a)和6(b)分别给出了图5(a)和图5(d)对应条件下，液态金属电池内部流体流动的流线图。图6(a)中可以明显看出液态金属及电解质的流动仅限于各层的内部，液态金属A层和液态金属B层内部分别仅有一对方向相反的涡，而电解质层内部存在两对方向不同的涡，完全符合涡量守恒定则；图6(b)左侧A、B液态金属层的涡已经突破了与电解质层的交界面，此时，部分电解质已经开始流入液态金属A或B层的区域。当所施加电压增强到70V时，三层液体已经完全开始掺混，大小不规则的涡同时存在，如图6(c)所示。类似地，图7(a)至图7(f)给出了在液态金属电池内部加入三对隔板的栅格5时电解质层的2D及3D形态图。当施加的电压(E＝140V)小于或等于临界电压值时，电解质层仍然可以保持原有的稳定形态，上、下交界面仍然保持在各自的水平面内，即液态金属电池处于稳定状态，如图7(a)至7(c)所示；当施加的电压(E＝142.5V)略大于临界电压值时，电解质层失去原始形态，部分区域呈现浪花状，如图7(d)至7(f)所示，此时液态金属电池的两种液态金属A和B将直接接触，即液态金属电池因失稳而短路，其内部的温度也将骤然剧升而发生危险。图8(a)和图8(b)给出了图7(a)和图7(d)对应条件下流体的流线图。图8(a)中可以明显看出液态金属A和B(电解质内没有涡/流动)的流动仅限于各层的内部，顶层的液态金属A层和底层的液态金属B层内部分别有且仅有一对方向相反的涡，完全符合涡量守恒定则；图8(b)中三层液体已经完全掺混，大小不规则的涡同时存在，也进一步表明，此时液态金属电池内部已经短路。本次数值实验通过施加不同的充电电压测试了未置入栅格5、置入由1对隔板组成的栅格5、由3对隔板组成的栅格5及由7对隔板组成的栅格5情况下液态金属电池的稳定及失稳状态，将所得到的临界电压值绘制成一张图，便得到图9。由图9可以看出，随着组成栅格5的隔板数量增加(多于1对)，临界电压呈线性提高，即带栅格5的液态金属电池能稳定运行的充/放电临界电压或电流值随隔板数量增加而显著提高，进一步说明栅格5极大提升了液态金属电池的稳定性，或者对于相同参数的液态金属电池，栅格5装置能明显提高其充/放电效率。

通过专利最后提供的数值实验可以看出，所组成栅格5的隔板数量越多(如图9所示，置入由7对隔板组成的栅格5相对于没有栅格5时，临界电压已经提升了约5倍)，则栅格5对于液态金属电池内部各种不稳定性的抑制效果也就越好。但是，液态金属电池内部所置入的栅格5会占据一定的体积，所以当液态金属电池总容积不变时，液态金属A、B及电解质的总量会相应减小。另外，在不考虑稳定性的前提下，液态金属电池的总电容量是由液态金属A、B的多少决定的。所以，所置入的栅格5与液态金属电池的总电容量之间存在一定的矛盾关系，故，并非组成栅格5的隔板数量越多越好。包含栅格5的任意水平截面内，去除栅格5后流体区域的截面积约占液态金属电池横截总面积的

为最佳。具体置入由几对隔板组成的栅格5需根据液态金属电池的具体尺寸、组成栅格5的隔板的厚度及所选择的液态金属A、B和熔融盐电解质的材质及电解质的厚度，以最终确定。

引入矩形孔8是为了保证液态金属电池在充/放电过程中电解质与正、负极液态金属所形成的两个交界面分别始终处于同一水平面内。矩形孔8的引入不能有悖于栅格5的引入目的(改变液态金属电池内部的流场和磁场分布)，所以矩形孔8只能贴近液态金属电池内壁或交叉隔板的交界处；其次，不存在任何圆柱面可以依次穿过4个或更多的矩形孔而封闭成环；再次，每个由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的同一棱边不能同时存在两个及以上的矩形孔；最后，矩形孔8的宽度上限不能超过由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的棱边边长的1/5,下限以保证流体(液态金属或者电解质)顺畅流动(如4毫米)为最小尺寸。

矩形孔8在竖直方向上的高度应该大于电解质充/放电时的最大位移量。由于所加入的栅格5的顶端与负极电流收集器2之间没有间隙或嵌入负极电流收集器2内部，所以矩形孔8的顶端只需高于液态金属电池放电时电解质层上移的最大位移即可；矩形孔8的底端须低于电解质6在充电过程中向下移动的最大位移量并延伸至正极材料7高度(以电池装配时的正极材料7原始高度为基准)的2/3～7/12处(当栅格5的底端只延伸至正极材料7原始高度的2/3时，矩形孔8的底端与栅格5的底端平齐)。

本专利所提出的栅格5主要针对细高型液态金属电池。电解质层的厚度可以选为液态金属电池壳体1高度的1/9～1/40。在能保证液态金属电池稳定运行的条件下，优先选择更薄的电解质以减少电能损耗。

Claims (3)

1.一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池，其特征在于，该液态金属电池包括电池壳体(1)、负极电流收集器(2)、负极材料(3)、金属网或金属板(4)、栅格(5)、电解质(6)、正极材料(7)、矩形孔(8)和正极电流收集器(9)；所述的正极材料(7)、电解质(6)和负极材料(3)自下而上填充于电池壳体(1)中；正极材料(7)和负极材料(3)均为液态金属或合金；电解质(6)为液态高温熔融盐；其中，正极材料(7)密度＞电解质(6)密度＞负极材料(3)密度；负极材料(3)和正极材料(7)的外侧各自设置负极电流收集器(2)和正极电流收集器(9)；置于电池壳体(1)内部的栅格(5)是由呈交叉式的隔板组成，并依次穿过负极材料(3)、电解质(6)和正极材料(7)；栅格(5)的顶端与负极电流收集器(2)之间没有间隙，以避免因电流密度不同而推动顶部的负极材料(3)流动；栅格(5)的底端低于电解质(6)在充电过程中向下移动的最大位移量并延伸至正极材料(7)高度的2/3～1/2处，以保证栅格(5)在液态金属电池的整个充、放电过程中能够始终抑制不稳定性的发生；栅格(5)内部设置金属网或金属板(4)；栅格(5)上开设矩形孔(8)，矩形孔(8)在竖直方向上的高度大于电解质(6)充电或放电时的最大位移量，以保证两种不同液体的交界面始终处于同一水平面内，并防止感生磁场在整个液态金属电池内部或贯通多个方格而形成封闭环路；

所述的栅格(5)由相互交叉的隔板组成，隔板在方形截面液态金属电池的任意水平截面内以网格状的形式均匀排布；当组成栅格(5)的隔板数量为偶数对时，受矩形孔(8)的分布条件限制，需采用中心对称结构，并采用拼接方式安装；当组成栅格(5)的隔板数量为奇数对时，受矩形孔(8)的分布条件限制，采用轴对称或中心对称结构，并采用拼接方式安装；

所述的栅格(5)与液态金属电池的侧壁之间没有间隙，栅格(5)的顶端直接嵌入负极电流收集器(2)中或与负极电流收集器(2)直接接触；组成栅格(5)的隔板的厚度为电池壳体(1)宽度的1/60～1/100；所述的栅格(5)的材质为电绝缘、绝磁、耐腐蚀材质；

所述的矩形孔(8)的设置规则为：首先矩形孔(8)只能贴近液态金属电池内壁或交叉隔板的交界处；其次，不存在任何圆柱面可以依次穿过4个及以上的矩形孔而封闭成环；再次，每个由交叉隔板或隔板与液态金属电池内壁形成的方格的同一棱边不能同时存在两个及以上的矩形孔(8)；最后，矩形孔(8)的宽度上限不能超过由交叉隔板或隔板与电池内壁形成的方格的棱边边长的1/5，下限以保证液态金属或电解质顺畅流动为最小尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池，其特征在于，所述矩形孔(8)的顶端高于液态金属电池放电时电解质层上移的最大位移；矩形孔(8)的底端低于电解质(6)在充电过程中向下移动的最大位移量并延伸至正极材料(7)高度的2/3～7/12处；当栅格(5)的底端只延伸至正极材料(7)原始高度的2/3时，矩形孔(8)的底端与栅格(5)的底端平齐。

3.根据权利要求1或2所述的一种带抑制流体不稳定性栅格装置的方形截面液态金属电池，其特征在于，所述的电解质(6)厚度为液态金属电池(1)高度的1/9～1/40；所述栅格(5)在任意水平截面内，除栅格(5)后流体区域的截面积占液态金属电池总横截面积的

Images