CN104597408A - 一种锂-空气电池测试模具及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种锂-空气电池测试模具及其装配方法，其中电池测试模具包括金属底座、压头和半封闭罩；其中，金属底座具有向内凹陷的凹台，该凹台内设置有绝缘环；压头具有与绝缘环相匹配的端面和圆柱形杆；半封闭罩为一端开口的圆筒形，用于包围金属底座的凹台和压头；半封闭罩上设置有进气管道和出气管道；半封闭罩与金属底座连接形成半封闭的空间，该半封闭的空间仅有进气管道和出气管道不封闭。本发明中的锂-空气电池测试模具能够使氧气与空气电极充分接触、电解质足量供给，并且密封性良好、拆卸方便，电池测试操作方便、结果准确。

Description

一种锂-空气电池测试模具及其装配方法

技术领域

本发明属于非水系锂-空气电池领域，更具体地，涉及一种锂-空气电池测试模具及其装配方法。

背景技术

锂-空气电池是一种以金属锂为阳极，以空气电极为阴极的二次电池，其理论能量密度高达11400Wh kg^-1。根据使用的电解质类型的差别，目前已开发的锂-空气电池主要分为如下四类：

1.水系锂-空气电池；

2.非水系锂-空气电池；

3.有机-水混合体系锂-空气电池；

4.全固态体系锂-空气电池。

非水系锂-空气电池的工作原理如图1所示。在放电过程中，金属锂氧化成Li⁺，在其浓度梯度的驱动下扩散至阴极，结合阴极上氧气的还原产物O₂ ^2-，形成不溶性的Li₂O₂。充电过程中Li₂O₂氧化释放氧气，并产生Li⁺扩散至金属锂处还原成Li。空气电极对氧气的还原以及随后的氧化过程对其电池的放电容量、充放电过电势以及充放电循环性能的提升有着至关重要的作用。

在研究非水系锂-空气电池的空气电极部分时，通常以组装全电池、并对其进行充放电从而评价其催化活性。常见的非水系锂-空气电池的组装结构如图2所示，以金属锂片作为阳极，以多孔并具有一定催化活性的空气电极作阴极，中间放置一层具有丰富孔隙结构的绝缘材料并浸渍足够的电解质，以保证在锂离子传导的同时防止电子的传输。同时，为优化电池的充放电性能，通常会在阴极加一层具有大孔结构的空气扩散层。通过如图2所示的组装电池进行电池的充放电测试，进而评价空气电极的催化活性。

在此基础上，目前非水系锂-空气电池较为成熟的测试结构主要包括扣式模拟电池以及Swagelok-type模具电池。扣式模拟电池采用商用锂离子电池壳并在相应的阴极部分开孔，以保证氧气与阴极的接触。该电池结构简单，但不能保证氧气与阴极的充分接触；无法保证有足够的电解质；同时，由于扣式电池是通过压力机对正负极及电池壳压制成的，属于一次性电池，在对充放电产物进行分析时，对于扣式电池需要用相应的模具对其进行破坏性拆解以取出相应的电极进行材料的表征，在一定程度上会增加其分析的成本，并且在拆解的过程中不可避免的会对电极有相应的损坏，因此采用扣式模拟电池对电池充放电过程的分析也具有一定的复杂性与困难性。Swagelok-type模具电池通常是将Swagelok管接头改造而成，尽管其具有良好的与氧气接触性、可拆卸性，但由于Swagelok管接头特征的结构，其电池制备过程复杂，不能方便的用镊子进行组装操作；并且，由于管接头形状的特点，电解液容易倾倒流出，因此只能通过隔膜吸附一定量的电解液进行测试，不能提供充足的电解质；另外，该装置只能保证电池处于氧气氛围中，难以对充电后产生的气氛做有效的收集与分析。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于一种锂-空气电池测试模具及其装配方法，其中通过对锂-空气电池测试模具关键组件的结构及设置方式等进行改进，与现有技术相比能够有效解决现有的电池测试模具无法同时满足氧气与空气电极的充分接触、充足的电解质供给的问题，并且该电池测试模具具有良好的密封性以及方便的拆卸性，使电池和电池测试模具能够重复利用。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种锂-空气电池测试模具，其特征在于，包括金属底座、压头和半封闭罩；其中，

所述金属底座具有向内凹陷的凹台，该凹台内设置有绝缘环，所述绝缘环的环状结构与凹台的内壁完全接触；

所述压头具有圆柱形杆和与所述绝缘环相匹配的端面，该端面所在的平面与所述圆柱形杆的轴向方向相互垂直；所述凹台、绝缘环和压头端面构成的空间用于放置锂-空气电池，所述压头端面用于与锂-空气电池接触；所述压头为中空结构，用于向锂-空气电池传输气体；

所述半封闭罩为一端开口的圆筒形，用于包围所述金属底座的凹台和压头；所述半封闭罩上设置有进气管道和出气管道；所述进气管道与所述压头连接，并与所述压头的中空结构连通，用于向锂-空气电池传输气体；所述半封闭罩与金属底座连接形成半封闭的空间，该半封闭的空间仅有所述进气管道和出气管道不封闭。

作为本发明的进一步优选，所述金属底座与半封闭罩之间螺纹连接。

作为本发明的进一步优选，所述半封闭罩包括上盖和两端开口的圆筒形壁，所述进气管道位于所述上盖上，所述出气管道位于所述圆筒形壁上。

作为本发明的进一步优选，所述上盖与圆筒形壁之间螺纹连接。

作为本发明的进一步优选，所述压头端面上具有向内凹陷的放射状或者环形放射状纹路，并且在所述端面的边缘处，具有向所述压头圆柱形杆轴线方向凹陷的缺口，用于输出锂-空气电池测试后的气体。

作为本发明的进一步优选，所述压头的圆柱形杆上套有弹簧，用于压紧锂-空气电池。

作为本发明的进一步优选，所述进气管道、出气管道均与所述半封闭罩之间螺纹连接。

作为本发明的进一步优选，所述金属底座、压头和进气管道均采用304号不锈钢；所述绝缘环、半封闭罩和出气管道均采用聚四氟乙烯。

按照本发明的另一方面，提供一种锂-空气电池测试模具的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将集流体放置在所述绝缘环内、金属底座的凹台上；接着，在所述集流体上依次放置锂片、隔膜和电极片，使所述集流体、锂片、隔膜和电极片的中心位于同一条直线上，且该直线与金属底座凹台表面所在的平面垂直；

(2)向所述电极片上滴加电解液，然后静置，使所述电解液渗入到所述隔膜里；接着，在所述电极片上放置所述压头，使所述压头端面与所述电极片接触；最后，用所述半封闭罩包围所述凹台和压头，形成所述的半封闭的空间。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.单独设置的进气和出气管道加强了气体的流通，使锂-空气电池中的空气电极能够与输入气体(一般为氧气)充分接触，从而使锂-空气电池的充放电反应能够充分进行，确保测试结果的准确性。

另外，出气管道还可以收集经充放电反应后的气体，分析其组成、流量等，从而得出锂-空气电池充放电反应的详细信息，如单位时间内的耗氧量等。

2.凹台的空间大小可以灵活调整，确保电解质的足量供应。金属底座上设置的凹台能够方便的放置电池结构，使电解液不会轻易流出；而凹台的空间大小可以灵活调整，确保锂-空气电池电解质的足量供应。由于电池中电解液可以足量供应，而测试过程中电解液的挥发并不会导致电池性能的明显波动，电池性能更加稳定，也使得电池测试结果更加准确。

3.由于锂-空气电池放置在由半封闭罩和金属底座连接形成的半封闭空间内，该半封闭空间仅有进气管道和出气管道不封闭，通过控制进气管道输入的气氛，可以有效减小其他气体氛围(如水、二氧化碳等)对电池测试的干扰，达到电池测试气氛的严格控制。

另外，为了进一步提高该电池测试模具的封闭性，可以在各个螺纹接口处(如，半封闭罩与金属底座的螺纹连接处、上盖与圆筒形壁的螺纹连接处、进气管道与半封闭罩的螺纹连接处、出气管道与半封闭罩的螺纹连接处等)涂密封胶。

4.电池测试模具各部件间的连接采用螺纹连接，使得该电池测试模具能够进行非破坏性拆解，既能够不破坏锂-空气电池，对锂-空气电池充放电过程的物质进行分析，同时也便于该电池测试模具的重复利用。

5.使用特别设计的压头与锂-空气电池接触，可优选的在该压头上套设弹簧，能够使锂-空气电池各内部结构(例如如图2所示的各结构)紧密接触，确保锂-空气电池充放电反应的充分进行。

另外，压头端面具有向内凹陷的放射状或者环形放射状纹路，并且在所述端面的边缘处具有向所述压头圆柱形杆轴线方向凹陷的缺口，既能保证压头与锂-空气电池阴极片的有效接触，也使得经锂-空气电池的充放电反应后的气氛能够迅速排出，被所述出气管道收集。

本发明中的锂-空气电池测试模具可适用于对锂-空气电池进行测试，尤其是适用于非水系锂-空气电池。该电池测试模具中的金属底座能起到集流的作用，确保集流的有效进行；内嵌于金属底座凹台的绝缘环，既可便于电池的组装对齐，又可有效防止电池内部短路。

附图说明

图1是锂-空气电池充放电原理示意图，其中左图为充电原理示意图，右图为放电原理示意图；

图2是锂-空气电池组装示意图；

图3是锂-空气电池测试模具示意图；

图4是压头底部形状示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为金属底座，2为绝缘环，3为压头，4为半封闭气室，5为出气管道，6为上盖，7为进气管道。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图3所示为本发明提供的一种非水系锂-空气电池测试模具，该测试模具包括：金属底座1，绝缘环2，压头3(其底部形状示意图如图4所示)，半封闭气室4，出气管道5，上盖6，进气管道7。

将所述金属底座1放置于水平工作台上；

将所述绝缘环2嵌套于金属底座1的凹台内，并完成电池的组装；

所述压头3压置于阴极电极片上，并套上弹簧；

所述半封闭气室4螺纹固定于金属底座1上；

所述出气管道5螺纹固定于半封闭气室4上；

所述上盖6螺纹固定于半封闭气室4上；

所述进气管道7螺纹固定于上盖6上，并保证其与压头3的紧密接触，以通过弹簧加压提高电池的接触性。

具体测试电池时的步骤如下：

1.电池测试模具的组装：将金属底座1放置于水平工作台上，绝缘环2嵌置于金属底座1的凹台内，并完成电池的组装(即在金属底座的凹台上、绝缘环内安装锂-空气电池，锂-空气电池按如图2所示的组装示意图组装)，将压头3压置于阴极电极片(即对应图2中的阴极反应层和阴极扩散层)上，并在压头3上套上弹簧。然后将半封闭气室4螺纹固定于金属底座1上(例如，可在金属底座1上设置半封闭气室4的安装孔，如图3所示，半封闭气室呈两端开口的圆筒形，金属底座1的凹台位于半封闭气室内，即，半封闭气室4的圆筒形壁包围金属底座1的凹台)。半封闭气室4的壁上具有出气管道的安装孔，出气管道5通过该安装孔螺纹固定于半封闭气室4上，使外界(如气体收集装置等)与半封闭气室通过该出气管道5相连通；上盖6螺纹固定于半封闭气室4上，上盖6上具有进气管道的安装孔，进气管道7通过该安装孔螺纹固定于上盖6上，使外界(如气瓶或者其他气体输入装置)与半封闭气室通过该进气管道7相连通；该上盖与半封闭气室、金属底座一起形成半封闭空间(之所以称为半封闭，是因为该空间仅有进气管道和出气管道可以与外界进行气体交换，其他区域均是封闭的)。并且，进气管道7的直径大于弹簧的直径，可以使弹簧保持在压缩的状态，从而确保压头3与锂-空气电池的紧密接触，通过弹簧加压提高电池的接触性。压头的端面一般仍位于金属底座的凹台的内，即，压头端面所在的平面位于金属底座内。

2.从进气管道通入氧气，并保证电池在氧气氛围下静置1小时后，进行电池测试(如锂-空气电池的充电或者放电反应)；

3.分析充放电过程产生的气体产物：从进气管道通入载气，以分析充放电过程产生的气体产物。至此，该模具的相关装配以及测试过程完毕。

本发明所指的测试模具，仅包括相应的模具部件以及有关电池的组装。关于气体流量控制与采集部分，不影响本发明的实际使用，可以根据各自的实际需要进行选择。

在绝缘环内部的金属底座凹台底面上还可另外设置金属垫片(即，集流体)，锂-空气电池可放置在金属垫片上，其他部件的位置及安装方式不变，从而进行测试。

本实施例中的上盖6和呈两端开口圆筒形的半封闭气室4可以为一体设计，即，将上盖6和半封闭气室4整合，例如，可设计为一端开口的圆筒形。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种锂-空气电池测试模具，其特征在于，包括金属底座(1)、压头(3)和半封闭罩；其中，

所述金属底座(1)具有向内凹陷的凹台，该凹台内设置有绝缘环(2)，所述绝缘环(2)的环状结构与凹台的内壁完全接触；

所述压头(3)具有圆柱形杆和与所述绝缘环(2)相匹配的端面，该端面所在的平面与所述圆柱形杆的轴向方向相互垂直；所述凹台、绝缘环(2)和压头端面构成的空间用于放置锂-空气电池，所述压头端面用于与锂-空气电池接触；所述压头(3)为中空结构，用于向锂-空气电池传输气体；

所述半封闭罩为一端开口的圆筒形，用于包围所述金属底座的凹台和压头(3)；所述半封闭罩上设置有进气管道(7)和出气管道(5)；所述进气管道(7)与所述压头(3)连接，并与所述压头的中空结构连通，用于向锂-空气电池传输气体；所述半封闭罩与金属底座(1)连接形成半封闭的空间，该半封闭的空间仅有所述进气管道(7)和出气管道(5)不封闭。

2.如权利要求1所述的锂-空气电池测试模具，其特征在于，所述金属底座(1)与半封闭罩之间螺纹连接。

3.如权利要求1所述的锂-空气电池测试模具，其特征在于，所述半封闭罩包括上盖(6)和两端开口的圆筒形壁(4)，所述进气管道(7)位于所述上盖(6)上，所述出气管道(5)位于所述圆筒形壁(4)上。

4.如权利要求3所述的锂-空气电池测试模具，其特征在于，所述上盖(6)与圆筒形壁(4)之间螺纹连接。

5.如权利要求1所述的锂-空气电池测试模具，其特征在于，所述压头端面上具有向内凹陷的放射状或者环形放射状纹路，并且在所述端面的边缘处，具有向所述压头圆柱形杆轴线方向凹陷的缺口，用于输出锂-空气电池测试后的气体。

6.如权利要求1所述的锂-空气电池测试模具，其特征在于，所述压头(3)的圆柱形杆上套有弹簧，用于压紧锂-空气电池。

7.如权利要求1-6任意一项所述的锂-空气电池测试模具，其特征在于，所述进气管道(7)、出气管道(5)均与所述半封闭罩之间螺纹连接。

8.如权利要求1-7任意一项所述的锂-空气电池测试模具，其特征在于，所述金属底座(1)、压头(3)和进气管道(7)均采用304号不锈钢；所述绝缘环(2)、半封闭罩和出气管道(5)均采用聚四氟乙烯。

9.一种如权利要求1-8任意一项所述锂-空气电池测试模具的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将集流体放置在所述绝缘环(2)内、金属底座的凹台上；接着，在所述集流体上依次放置锂片、隔膜和电极片，使所述集流体、锂片、隔膜和电极片的中心位于同一条直线上，且该直线与金属底座凹台表面所在的平面垂直；

(2)向所述电极片上滴加电解液，然后静置，使所述电解液渗入到所述隔膜里；接着，在所述电极片上放置所述压头(3)，使所述压头端面与所述电极片接触；最后，用所述半封闭罩包围所述凹台和压头(3)，形成所述的半封闭的空间。