CN103267780A

CN103267780A - 用于电解液测试的恒温装置

Info

Publication number: CN103267780A
Application number: CN2013102214265A
Authority: CN
Inventors: 李慧芳; 李飞; 高俊奎
Original assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Current assignee: Tianjin Lishen Battery JSCL
Priority date: 2013-06-06
Filing date: 2013-06-06
Publication date: 2013-08-28

Abstract

本发明公开了一种用于电解液测试的恒温装置。本发明通过下述技术方案予以实现，所述装置包括自制恒温槽、保温盖板和外置恒温源；保温盖板扣于自制恒温槽上；所述自制恒温槽包括内容器、外容器和紫铜管，内容器与外容器之间填充保温层，紫铜管沿内容器内壁做螺旋状盘绕，紫铜管两端分别穿过保温盖板与外置恒温源的液体入口和液体出口连接；所述保温盖板顶部测试线穿孔。本装置用于为电解液的物性参数及其他应用测试提供恒温条件，为精确测定温度对电解液物性参数等的影响提供测试手段，从而为不同使用环境下电池设计中的电解液等材料的优化选择提供数据依据。

Description

用于电解液测试的恒温装置

技术领域

本发明涉及锂离子电池生产领域，更具体的说，是涉及一种锂离子电池电解液测试的恒温装置。

背景技术

锂离子电池作为绿色环保能源已经广泛应用于各种领域，但当环境温度低于0℃时，锂离子电池的性能开始降低。由于航天、航空、电动汽车等特殊使用环境的要求，对锂离子电池的最低工作温度要求已经降至-40℃左右，因此，提高锂离子电池的低温性能已经成为锂离子电池研究者关注的重点问题。

在低温下，锂离子电池充放电性能劣化的主要原因是电解液电导率下降、固相电极阻抗增大、极化效应增强、Li⁺扩散速率降低等。因此，在低温电池开发过程中，对电解液的优化和选择是必不可少的一个方面，而判断一种电解液在低温下是否适用的主要依据，就是测试不同温度下电解液的电导率等物性参数，如果这些物性参数随温度的变化值不大，则初步认为该电解液适用于此低温范围。另外，要综合考虑电极和电解液的综合影响，可以通过制作三电极体系，测试其在低温下的充放电曲线等，从而为低温电池开发中电极材料及电解液的优化提供参考数据。

目前，电解液的低温电导率测试，虽然也借助低温恒温槽进行，但是由于缺乏相应的配套装置，致使电解液与环境的热交换量较大，达到稳定温度的时间较长甚至不能稳定。而电池的高低温性能测试则多采用恒温烘箱提供恒温环境，该设备庞大，且必须放置在其他电池性能测试设备旁边，因此缺乏灵活适用性；另外，该设备噪声大，烘箱内部由于电机震动无法提供稳定环境，因此不能满足诸如电化学工作站等精密测试的配套使用。而本发明所提供的测试装置易于制作，不需对测试单元进行特殊加工，操作方法简单，适用范围广，具有相当的灵活性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锂离子电池电解液测试的恒温装置。

本发明用于电解液测试的恒温装置，通过下述技术方案予以实现，所述装置包括自制恒温槽、保温盖板和外置恒温源；保温盖板扣于自制恒温槽上；所述自制恒温槽包括内容器、外容器和紫铜管，内容器与外容器之间填充保温层，紫铜管沿内容器内壁做螺旋状盘绕，紫铜管两端分别穿过保温盖板与外置恒温源的液体入口和液体出口连接；所述保温盖板顶部测试线穿孔。

所述自制恒温槽内外容器均由不锈钢材质制成。自制恒温槽内放有与外置恒温源内相同的液体，将测试单元置于自制恒温槽内。

所述紫铜管内径r_z≥4mm，紫铜管壁厚1-2mm。紫铜管两端分别通过保温橡胶管与外置恒温源的液体入口和液体出口连接。

所述外置恒温源采用低温恒温槽。所述保温盖板由泡沫保温板制成，保温盖板厚度3cm以上。

本发明提供了一种电解液测试的恒温装置，该装置用于保持电解液的恒温状态，从而为测量电解液在不同温度下的物性参数及其他应用性能提供恒温条件。本发明采用外置低温恒温槽作为恒温源，以其输出的恒温液体作为加热及制冷介质，以盘绕在自制恒温槽内壁的紫铜管作为加热及制冷通道，恒温液体在紫铜盘管内自下向上流动，通过不断的热交换，自制恒温槽内液体及测试单元电解液即达到与设定温度一致的恒温状态，该方法简单易操作，且不需对测试单元进行特殊加工，适用范围广，具有相当的灵活性。

本装置用于为电解液的物性参数及其他应用测试提供恒温条件，为精确测定温度对电解液物性参数等的影响提供测试手段，从而为不同使用环境下电池设计中的电解液等材料的优化选择提供数据依据。

本装置可推广应用于任何需要恒温的其他小型测试中，如电解液的电导率、粘度等测试，锂离子电池两电极、三电极测试，扣式电池的高低温性能测试等。

附图说明

图1为恒温装置示意图；

图中1为自制恒温槽内容器；2为自制恒温槽外容器；3为保温棉；4为紫铜管；5为恒温液体入口； 6为恒温液体出口；7为保温盖板；8为恒温液体；9为热电偶；10为测试线穿孔；

图2为三电极测试单元组装图；

图中，21为广口瓶，22为密封塞，23为导线，24为钳夹，25为测试电极，26为对电极，27为参比电极，28为电解液；9为热电偶；

图3为EL1在不同温度（20℃，-10℃，-25℃）下的循环伏安测试曲线图；

图4为EL2在不同温度（20℃，-10℃，-25℃）下的循环伏安测试曲线图。

具体实施方式

下面分别以电解液的电导率测试及低温下的循环伏安测试为例，结合附图详细说明本发明，以进一步阐述本发明实质性特点和显著的进步。

首先，本发明根据固有测试单元的大小，如图1所示，选择一定尺寸的两个不锈钢容器作为自制恒温槽的内、外容器1和2，以紫铜管4沿其内壁呈螺旋状盘绕，并引出出入口，作为加热及制冷通道；内容器与外容器之间填充保温层3，紫铜管两端分别穿过保温盖板7与外置恒温源的恒温液体入口5和恒温液体出口6连接；所述保温盖板顶部测试线穿孔10，自制恒温槽内设置热电偶9。采用低温恒温槽作为外置恒温源，从低温恒温槽输出的恒温液体8通过加了保温层的橡胶管道输送到恒温槽内，自制恒温槽内放有与低温恒温槽相同的液体，将测试单元置于自制恒温槽内，通过不断的热交换即可使测试单元内电解液达到预设的恒定温度，从而为电解液的各种测试提供需要的高低温恒温环境。

自制恒温槽内外容器均由不锈钢等材质制成，内容器的半径R_i需根据测试单元半径R_t而定，一般以测试单元半径R_t+10mm+紫铜管外径为宜；以紫铜管沿自制恒温槽内壁做螺旋状盘绕作为加热及制冷通道，盘绕的高度根据测试单元高度确定，紫铜管内径≥4mm，壁厚1-2mm即可；自制恒温槽外容器半径R_e尺寸为内容器半径R_i+40mm以上，内容器和外容器之间填充保温棉等保温材质，要求填充紧密以达到更好的保温效果。

保温盖板由泡沫保温板等材质制成，要求保温盖板厚度3cm以上，根据测试单元具体情况，在保温盖板上挖出相应的孔，将测试线引出。

第二，在完成上述装置制作组装后，根据测试需求，选择合适的液体作为加热及制冷介质，当工作温度在5～85℃时，液体介质一般选用水；当工作温度在85～95℃时，液体介质可选用15%甘油水溶液；当工作温度低于5℃时，液体介质一般选用酒精或冷冻液。将选定的恒温介质加入到低温恒温槽内，将低温恒温槽的液体输出口通过加了保温层的橡胶管连接到紫铜管底部入口，低温恒温槽的液体入口通过加了保温层的橡胶管连接到紫铜管顶部出口，打开恒温槽电源，设定工作温度，开启制冷。

第三，根据具体测试内容制作测试单元，在电解液中插入热电偶或其他温度传感器并引出测试线，将整个测试单元置于自制恒温槽内，并在自制恒温槽内加入适量的液体，液体种类与外置低温恒温槽所用液体一致，将测试单元的连接线及温度引线从保温盖板中引出后，将保温盖板压紧。

第四，待外置低温恒温槽内液体达到设定的恒定温度后，开启循环系统，则恒温液体开始在紫铜管内循环流通，通过热电偶观察溶液温度达到设定值后，开启相应的测试设备，即可开始关于电解液等的性能测试。

实施例1

在低温电池的材料选择及设计中，首先要对比和选择适当的电解液，本例以两款商品电解液在不同温度下的电导率测试为例来说明测试步骤和方法。以下实施例中使用的测试设备为瑞士万通的712型电导率测试仪，及宁波天恒仪器厂的THD-4006型低温恒温槽。

由于电导率测试容器为细口塑料瓶，其半径为R_t1=15mm，而三电极测试所用广口试剂瓶的半径为R_t2=25mm，为了提高普遍适用性，本例中自制恒温槽内容器选择半径为R_i =25+10+6=41mm，高度为120mm的不锈钢瓶；外容器选择半径为Re=R_i+40mm=81mm，高度为160mm的不锈钢瓶；在内外容器之间按照图1所示填充保温棉，压实后用胶带将顶部密封固定。选择内径为4mm，外径为6mm的紫铜管，将其以螺旋状盘绕在自制恒温槽内壁上，并将两个端口引出。

取一块厚度为60mm，半径为100mm的泡沫保温板，以中心点为圆心，画出半径为81mm的圆，根据此圆挖出深度为20mm的凹槽，凹槽向下，盖到自制恒温槽上，即可制成保温盖板。保温盖板顶部用打孔器打出四个细孔作为测试线引出通道，不用的通道可以用保温棉填充以防止与环境的热交换。

完成上述装置的制作后，设定第一个测试温度为25℃，选择水为恒温介质，开启THD-4006型低温恒温槽，则恒温介质的温度将逐步稳定在25℃。将低温恒温槽的液体出口与紫铜管的入口5及低温恒温槽的入口与紫铜管的出口6分别用带有保温套管的橡胶管连接。

将待测电解液置于清洗干燥后的细口塑料瓶中，将此塑料瓶置于自制恒温槽内，并将恒温槽内加入适量水，液面高度以高于塑料瓶内液面为宜。

将电导率仪的测试电极置于细口塑料瓶中，电极引线穿过保温盖板，连接到电导率仪上。将保温盖板覆盖在自制恒温槽上。

待THD-4006型低温恒温槽温度达到25℃后，开启低温恒温槽的循环功能，则恒温介质开始在紫铜管内自下向上流动，观察电导率仪温度示值恒定在25℃后，读取电导率值即可。

对于0℃、-10℃、-20℃、-30℃、-37℃下的电导率测试，需将THD-4006型低温恒温槽和自制恒温槽内的恒温介质更换为酒精，即可根据上述方法逐一进行测试。两种电解液的电导率测试数据如表1所示。

表1 两种电解液在不同温度下的电导率值

温度	25℃	0℃	-10℃	-20℃	-30℃	-37℃
							EL1(S/cm)	8.420	4.267	2.850	1.651	0.7525	凝固
EL2(S/cm)	8.970	5.710	4.352	3.129	2.089	1.735

根据上述测得的两种电解液在不同温度下的电导率值，可知，与EL1相比，EL2电解液更适用于低温电池使用。

实施例2

为了进一步说明两种电解液对电池低温性能的影响，本例中以相同负极为工作电极，测试其在两种电解液中的循环伏安曲线，以考察两种电解液在不同温度下对锂离子嵌入和脱出的影响。以下实施例中使用的测试设备为德国Zahner公司的IM6型电化学工作站，及宁波天恒仪器厂的THD-4006型低温恒温槽。

本例中采用三电极测试单元进行循环伏安曲线的测试，且采用与实施例1相同的恒温装置。

首先按照图2制作三电极测试单元，图中，21为广口瓶，22为密封塞，23为导线，24为钳夹，25为测试电极，26为对电极，27为参比电极，28为电解液；9为热电偶；以石墨负极片为工作电极，锂金属作为对电极和参比电极，将待测电解液装入三电极测试单元主体容器中，并将热电偶和电极引线从密封塞22上穿孔引出，并塞紧密封塞。

完成上述装置的制作后，设定第一个测试温度为20℃，选择水为恒温介质，开启THD-4006型低温恒温槽，则恒温介质的温度将逐步稳定在20℃。将低温恒温槽的液体出口与紫铜管的入口及低温恒温槽的入口与紫铜管的出口分别用带有保温套管的橡胶管连接。

将三电极测试单元置于自制恒温槽内，并将恒温槽内加入适量水，液面高度以高于三电极测试单元内液面为宜。

将IM6型电化学工作站的电极连接线穿过保温盖板，连接到三电极测试单元相应电极上，调整好各个引线后，将保温盖板覆盖在自制恒温槽上。

待THD-4006型低温恒温槽温度达到20℃后，开启循环功能，则恒温介质开始在紫铜管内自下向上流动，此时观察热电偶的温度示值，待其稳定在20℃后，即可在IM6电化学工作站上进行循环伏安测试，测试条件为：扫描电位范围为0V-3V，扫描速率为0.4mV/s。

对于-10℃和-25℃下的测试，只需将THD-4006型低温恒温槽和自制恒温槽内的恒温介质更换为酒精，即可根据上述方法逐一进行测试。测试结果：图3为使用EL1体系的CV测试图，由图可以看出，在-10℃下该体系由于极化增大而导致脱嵌锂峰位发生较大偏移；在-25℃下该体系的脱嵌锂反应峰消失，说明已经失效。而图4为使用EL2体系的CV测试图，在-10℃下该体系的嵌锂和脱锂峰位未发生较大偏移；在-25℃下该体系的脱嵌锂峰位由于极化增大发生较大偏移，且峰强显著降低，但是与EL1相比，该体系仍能进行脱嵌锂反应，因而EL2比EL1更适用低温环境使用。

本发明不限于上述实施例，对本发明的任何等同替换都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于电解液测试的恒温装置，其特征在于，所述装置包括自制恒温槽、保温盖板和外置恒温源；保温盖板扣于自制恒温槽上；所述自制恒温槽包括内容器、外容器和紫铜管，内容器与外容器之间填充保温层，紫铜管沿内容器内壁做螺旋状盘绕，紫铜管两端分别穿过保温盖板与外置恒温源的液体入口和液体出口连接；所述保温盖板顶部测试线穿孔。

2. 按权利要求1所述的用于电解液测试的恒温装置，其特征在于，所述外置恒温源采用低温恒温槽。

3.按权利要求1所述的用于电解液测试的恒温装置，其特征在于，所述自制恒温槽内外容器均由不锈钢材质制成。

4. 按权利要求1所述的用于电解液测试的恒温装置，其特征在于，所述紫铜管内径r_z≥4mm，紫铜管壁厚1-2mm。

5. 按权利要求1所述的用于电解液测试的恒温装置，其特征在于，所述保温盖板由泡沫保温板制成，保温盖板厚度3cm以上。

6. 按权利要求1所述的用于电解液测试的恒温装置，其特征在于，自制恒温槽内放有与外置恒温源内相同的液体，将测试单元置于自制恒温槽内。

7. 按权利要求1所述的用于电解液测试的恒温装置，其特征在于，紫铜管两端分别通过保温橡胶管与外置恒温源的液体入口和液体出口连接。