阅读说明：本技术 一种锂电池负极析锂含量测试装置 (Lithium battery cathode lithium precipitation content testing device ) 是由 王其钰 张献英 郑杰允 禹习谦 李泓 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种锂电池负极析锂含量的测试装置,包括反应容器、支撑架、封盖、反应物注入装置和气体检测装置。反应容器的内部限定出具有开口的反应腔体；支撑架沿横向设置在反应腔体内；封盖设置在开口处并与反应容器可拆卸连接,封盖上具有注入口和排出口；反应物注入装置与注入口连接；气体检测装置与排出口连接。本发明的测试装置可以将电池负极的某一待研究区域的金属作为待测试件来与反应物进行化学反应,并可以利用气体检测装置测量气体产物的量,进一步推算出该固定区域的金属析出定量分析结果,为电池特定区域的金属析出研究提供数据支持,进一步研究人员可利用本测试装置得出实验数据对电池做出改进。(The invention provides a testing device for lithium analysis content of a lithium battery cathode, which comprises a reaction container, a supporting frame, a sealing cover, a reactant injection device and a gas detection device. The interior of the reaction vessel defines a reaction cavity with an opening; the support frame is arranged in the reaction cavity along the transverse direction; the sealing cover is arranged at the opening and is detachably connected with the reaction container, and the sealing cover is provided with an injection port and a discharge port; the reactant injection device is connected with the injection port; the gas detection device is connected with the discharge port. The testing device can take the metal of a certain area to be researched of the battery cathode as a piece to be tested to carry out chemical reaction with a reactant, and can utilize the gas detection device to measure the amount of a gas product and further calculate the quantitative analysis result of the metal precipitation of the fixed area, thereby providing data support for the research of the metal precipitation of the specific area of the battery, and further utilizing the testing device to obtain experimental data by researchers to improve the battery.)

一种锂电池负极析锂含量测试装置

技术领域

本发明涉及电池技术，特别是涉及一种锂电池负极析锂含量的测试装置。

背景技术

近年来，锂离子电池在3C(计算机Computer、通信Communication和消费类电子产品Consumer Electronics)、电动车、储能等领域有着越来越广泛的应用。锂电池在生产和使用过程中，负极极片会伴有析锂的现象。负极材料析锂与电极结构、电解液的润湿、电导、温度等因素有关，例如充电倍率太大、充电温度过低、循环后负极结构破坏容量损失、膈膜孔隙不均匀、正负极层间距不均匀等。

商业锂离子电池在使用过程中，负极析锂会严重影响锂离子电池的安全性、循环寿命、低温性能和快速充电的能力，并可能导致严重的安全事故。随着锂离子电池相关技术的迅速发展，人们希望未来锂离子电池具有更长的寿命、更优异的快充性能、更好的低温循环性能及容量恢复能力以及无懈可击的安全性能，然而锂离子电池的这些性能均与析锂副反应密切相关，负极材料析锂后引起的电池老化过程和负极反应动力学变化对电池的性能造成了巨大的影响。

目前研究人员从老化特性、电压曲线、电池的物理化学性质、电极的物理化学性质四个角度对锂沉积副反应进行直接或间接实验，来获取相关的研究数据。但这些手段只能证明锂沉积副反应是否发生，不能进行定量分析，也就不能判断负极材料中锂含量是否存在锂沉积。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明，以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种锂电池负极析锂含量的测试装置。

本发明一个进一步的目的是通过本测试装置可以对电池负极金属析出含量进行准确地定量分析，为研究人员提供精确的数据支持。

本发明另一个进一步的目的在通过本测试装置进行反应时可以降低外界对实验的影响，提高实验数据的精确性。

特别地，本发明提供了一种锂电池负极析锂含量的测试装置，其特征在于，包括：

反应容器，其内部限定出具有开口的反应腔体；

支撑架，沿横向设置在所述反应腔体内，用于放置待测试件；

封盖，设置在所述开口处并与所述反应容器可拆卸连接，用于密封所述反应腔体，所述封盖上具有注入口和排出口，分别用于反应物注入所述反应腔体和气体产物排出所述反应腔体；

反应物注入装置，与所述注入口连接，用于将其内的反应物注入所述反应腔体并与所述待测试件进行反应并放出所述气体产物；以及

气体检测装置，与所述排出口连接，用于测量所述气体产物的体积。

进一步地，所述封盖还包括：

两个密封机构，分别设置在所述注入口和所述排出口处，并且每个所述密封机构包括：

第一密封套，与所述封盖连接，其上设置有与所述注入口或所述排出口相对的密封口；以及

密封垫，设置在所述第一密封套与所述通流口之间。

进一步地，所述反应物为包括去离子水以及多种含羟基化合物的混合物。

进一步地，所述气体检测装置包括：

气体体积测量管，其一端通过导管与所述排出口连接，所述气体体积测量管的内部具有标记液体，在所述气体产物压力作用下，通过测量所述标记液体在所述气体体积测量管内的移动距离以确定所述气体产物的体积；以及

第二密封套，套设在与所述导管连接的所述气体体积测量管的端部，用于密封所述导管和所述气体体积测量管，以防止所述气体产物泄漏。

进一步地，所述测试装置还包括：

固定架，其上设置有高度可调的且用于夹持所述气体体积测量管的固定夹，所述气体体积测量管沿横向被所述固定夹所夹持。

进一步地，所述密封垫为橡胶密封垫。

进一步地，所述支撑架为有机玻璃格栅。

进一步地，所述反应物注入装置为具有刻度线的注射器。

进一步地，所述封盖为不锈钢封盖。

进一步地，所述气体体积测量管的内径1～4mm。

本发明的测试装置可以将电池负极的某一待研究区域的金属作为待测试件来与反应物进行化学反应，并可以测量气体产物的量。进一步推算出该固定区域的金属析出定量分析结果，为电池特定区域的金属析出研究提供数据支持，进一步研究人员可利用本测试装置得出实验数据对电池做出改进。

进一步地，本发明的密封机构可以实现将注入口和排出口进行密封，避免在是实验时外界因素的影响，保证了本测试装置的气密性。并且封盖可以为不锈钢，不锈钢可以加工为高精密度的封盖，进一步保证了本测试装置的气密性。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为根据本发明一个实施例中测试装置的示意图；

图2为根据本发明一个实施例中封盖的剖面图。

具体实施方式

请参考图1和图2，图1为根据本发明一个实施例中测试装置的示意图，图2为根据本发明一个实施例中封盖的剖面图。本申请的锂电池负极金属析出含量测试装置10包括反应容器100、支撑架120、封盖200、反应物注入装置300和气体检测装置等。

反应容器100的内部限定出具有开口的反应腔体110。支撑架120沿横向设置在反应腔体110内，用于放置待测试件130。封盖200设置在开口处并与反应容器100可拆卸连接，用于密封反应腔体110，封盖200上具有注入口230和排出口240，分别用于反应物注入反应腔体110和气体产物排出反应腔体110。反应物注入装置300与注入口230连接，用于将其内的反应物注入反应腔体110并与待测试件130进行反应并放出气体产物。气体检测装置与排出口240连接用于测量气体产物的体积。

在本实施例中，反应容器100可作为测量电池负极金属析出含量实验的反应容器100。支撑架120将待测试件130放置在支撑架120上，并且支撑架120放置于反应腔体110内，待测试件130与反应物进行反应，利用气体产物中氢气含量与反应物之间的关系可以定量推算出待测试件130的金属析出量。

其中待测试件130可以是锂电池上某一待研究区域的负极材料。这些电池在生产和使用过程中，负极材料可能受电极结构、电解液的润湿、电导、温度等因素影响伴随有金属析出现象，影响电池寿命和使用安全。目前现有研究从老化特性、电压曲线、电池的物理化学性质、电极的物理化学性质四个角度对锂沉积副反应进行直接或间接实验，但是不能进行定量分析，也就不能判断负极材料中锂含量是否存在锂沉积。

当然，本领域技术人员在知晓本申请技术方案后也可以将该测试装置应用于其他原电池负极含量测试实验中，例如钠电池等，再此不作一一阐述。

本实施例中的可以利用将电池负极的某一待研究区域的金属作为待测试件130来进行相关实验，得出该区域的金属析出定量结果，为电池特定区域的金属析出研究提供数据支持，进一步研究人员可利用本测试装置10得出实验数据对电池做出改进。

在本申请的另外一些实施例中，反应容器100还可以采用有机玻璃加工而成，使得反应容器100具有足够的强度保证反应的进行，同时有机玻璃具有透明性，便于观察反应过程。

支撑架120作为本测试装置10中待测试件130的支撑件，沿横向设置在反应腔体110内。并且支撑架120的结构可以增大待测试件130与反应物的接触面积，有利于反应充分、快速进行。

在本申请的另外一些实施例中，支撑架120可以为有机玻璃格栅，有机玻璃还具有一定的化学稳定性，为反应提供足够的接触面积的同时又降低了外部因素对实验的影响，并且便于清洗，保证本测试装置10可以反复利用。

封盖200设置在开口处，利用本测试装置10进行实验时可对反应腔体110进行密封，使得整个实验能够在相对密闭的环境下进行，排除外界因素对本实验的影响，使得数据具有一定的可靠性。

封盖200可与反应容器100可拆卸连接，如螺纹连接、卡接等，在此不一一列举。

反应物注入装置300与注入口230连接，实验中可将反应物注入装置300从注入口230插入，并将其内的反应物注入反应腔体110与待测试件130进行反应。

在本申请的另外一些实施例中，反应物注入装置300可以为具有刻度线的注射器。实验时可以将注射器的针头插入注入口230并将其吸入的反应物注入反应腔体110。并且刻度线可以对反应物进行定量控制，使得反应充分。

气体检测装置与排出口240连接用于测量气体产物的体积。在本实施例中，可以利用待测试件130与反应物产生化学反应产生气体，并根据气体产物的得出电池负极金属析出相关数据。

在本申请一些实施例中，封盖200还包括两个密封机构。两个密封机构分别设置在注入口230和排出口240处，并且每个密封机构包括第一密封套210和密封垫220。第一密封套210与封盖200连接，并且第一密封套210上设置有与注入口230或排出口240相对的密封口212。密封垫220设置在第一密封套210与封盖200之间。在本实施例中，密封机构可以用于密封注入口230和排出口240，减小注入口230和排出口240对本测试装置10的影响，提高测试装置10的气密性。

在本申请一些实施例中，封盖200可以为不锈钢，不锈钢可以加工为高精密度的封盖200，进一步保证了本测试装置10的气密性。

在本申请一些实施例中，密封垫220为橡胶密封垫，可以对进行封盖200与反应容器100进行绝缘密封。

在本申请一些实施例中，反应物为包括去离子水以及多种含羟基化合物的混合物。在本实施例中，其中含羟基化合物可以包括高纯度乙醇、乙二醇等。该反应物能够与待测试件130金属进行化学反应，生成氢气。可以根据本化学反应的关系式结合氢气的量来推算待测试件130的定量数据。

在本申请另外一些实施例中，基于上述化学反应，反应物相对于待测试件130的负极金属为过量设置，可以使得待测试件130的负极金属完全反应，以测量出精确的负极金属的量。

在本申请一些实施例中，气体检测装置包括气体体积测量管400和第二密封套410。气体体积测量管400的一端通过导管420与排出口240连接，气体体积测量管400的内部具有标记液体430，在气体产物压力作用下，通过测量标记液体430在气体体积测量管400内的移动距离以确定气体产物的体积。第二密封套410套设在与导管420连接的气体体积测量管400的端部，用于密封导管420和气体体积测量管400，以防止气体产物泄漏。

在本实施例中，气体体积测量管400通过导管420与排出口240连接，在反应进行时，反应容器100内部产生的气体产物在压力的作用下可以通过该导管420进入气体体积测量管400，并推动标记液体430在气体体积测量管400内移动。研究人员只需记录反应前后标记液体430移动的距离，并结合气体体积测量管400的内径就能推算出反应中产生的气体产物的量。

在本实施例中，标记液体430可以为从视觉上与气体产物、气体体积测量管400具有一定区别并且不能与气体产物进行化学反应的物质，并且标记液体430移动的过程中在气体体积测量管400内无挂壁，以减小其对气体产物测量的误差。本领域技术人员可以结合上述特点选用合适的物质作为标记液体430，本申请对标记液体430的类别不作特殊限定。

为了排除反应所产生的其他气体对测试结果的影响，在本申请另外一些实施例中利用气体体积测量管400对反应所产生的气体含量进行测量，然后使用注射器在反应腔内采集1-2ml气体产物作为样品，利用气相色谱质谱联用仪测定对样品进行比例测定，以确定出氢气在样品中的比例，最终通过反应所产生的气体含量和氢气的比例确定出精确的氢气的含量，提高测试的精确度。

在本申请一些实施例中，本测试装置10还包括固定架500。固定架500上设置有高度可调的且用于夹持气体体积测量管400的固定夹510，气体体积测量管400沿横向被固定夹510所夹持。

本申请的一些实施例中测试装置10的工作流程为：

步骤一、清洗并烘干测试装置10；

步骤二、将反应腔体120、密封装置200、第一密封套210、密封垫220和支撑架120转移至惰性气氛手套箱内，称取待测电池负极上待研究区域的待测试件130；

步骤三、将待测试件130放置在支撑架120上，将支撑架120与待测试件130置于反应腔体110内，并安装封盖200、第一密封套210和密封垫220，安装结束后从惰性气氛手套箱内取出；

步骤四、将反应物注入装置300与注入口230连接，并将气体体积测量管400通过导管420与排出口240连接；

步骤五、记录气体体积测量管400内的标记液体430的第一位置；

步骤六、将反应物注入装置300内待注入的反应物注入至反应腔体110内进行化学反应；

步骤七、待标记液体430由第一位置移动至第二位置且保持在第二位置时，记录第二位置；

步骤八、通过第一位置与第二位置之间的距离，并结合气体体积测量管400的内径计算出气体产物的体积；

步骤九、拔出反应物注入装置300，采用注射器通过220插入反应腔体110，取出1-2ml气体样品，并通过气相色谱测定氢气的体积比。结合气体产物的体积，计算得到内部产生的氢气总量；

根据反应物与待测试件130金属的化学反应式并结合气体产物氢气总量计算出待测试件130金属的量。

其中，上述流程中的步骤二和步骤三在惰性气氛下进行，以避免空气对实验造成影响，提高本测试装置10的精确性。

在利用本测试装置10进行电池负极金属析出含量的测量时，电池可以为锂电池或钠电池，其中待测电池可以为锂电池的负极上某一区域、钠电池的负极上某一区域。

需要说明的是，上述工作流程只是基于本测试装置10提出的一种具体的实验，但是本领域技术人员也可以将本测试装置10应用在其他相关测试实验中，例如需要通过气体产物推算固定甚至液体反应物的量的实验中，在此不作一一阐述。

在本申请的一些实施例中，反应容器100的内径为15～22mm，反应容器100的壁厚为2～5mm，反应容器100的高度400～500mm，反应容器100的外径为20～30mm。

封盖200的外径32～40mm，第一密封套210的高度2～5mm；密封垫220的直径5～8mm。

第二密封套410的外径3～8mm，第二密封套410的内径3～8mm，第二密封套410的高度3～8mm；气体体积测量管400的外径3～8mm，气体体积测量管400的内径1～4mm，气体体积测量管400的长度150～250mm，气体体积测量管400采用较小直径，能精密测量气体产物的量。

固定夹510的高度不低于80mm。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。