CN107271316A - 测试稀土新电源电芯吸液率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水系动力电池技术领域，具体涉及一种测试稀土新电源电芯吸液率的方法。测定稀土新电源电芯的重量，将稀土新电源电芯装入电池壳，顶盖密封好后，加装安全阀一起称重，打开安全阀，进行常压注液后封口，称重，按照现有化成工艺进行化成活化后称重，搁置，在惰性气体常压气氛下打开旋转阀，倒出里面的流动电解液后，对倒出来的电解液进行称重，再加入电解液，加入的电解液量进行称重，计算吸液率。本发明所获得的结果有两个，可以进行误差计算，提高准确率，本发明在不改变电池制作技术的工艺条件和工艺流程的条件下，可以方便的测量稀土新电源电芯吸液的实际数据，且误差小，可重复性好，简单易行、通用性高，便于实际操作。

Description

测试稀土新电源电芯吸液率的方法

技术领域

本发明属于水系动力电池技术领域，具体涉及一种测试稀土新电源电芯吸液率的方法。

背景技术

稀土新电源以稀土新材料为主要应用特征的一种新型水系动力电池，作为一种新型能源载体成为电池行业研究的热点，代表着水系动力电池的发展方向。由于稀土新电源具有高功率、长寿命、环境友好可回收、范围宽广的温度适用范围、使用安全、无记忆效应等优点，因此被称为新一代绿色电池。在能源紧张，环境污染的今天，稀土新电源显示出广阔的应用前景。

稀土新电源作为一种重要的车用及其它动力和储能系统的重要化学电源，稀土新电源电芯吸液是影响电池性能的关键参数。为了设计出高性能稀土新电源，我们需要准确知道电芯的吸液率，按照传统的评价方法，迄今为止，都是采用物理方法，进行高压吸氢，低压放氢，通过测量丰度稀土合金体积变化，来间接估算负极片体积膨胀率；另一方面，为获得电芯吸液量，在富液结构中，采用模拟电池进行充放电数次，取出极片进行称重，减去测试前的极片重量，得出极片所需电解液量，加上隔膜理论吸液量，获得电芯所需吸液量和吸液率，这些数据的测定均是在电池外单独进行或间接估算的，这种测试方法可以在一定程度上测得电芯吸液率，但这样测试的结果与它们在电池的真实工况环境下的吸液率是有差别的，并不能反映真实环境对电芯吸液的影响。另外，现有方法还存在测量数据波动大，重现性差，操作不便，或材料耗用多，易交叉污染等不足。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种测试稀土新电源电芯吸液率的方法，在不改变电池制作技术的工艺条件和工艺流程的条件下，方便的测量稀土新电源电芯吸液的实际数据，误差小，可重复性好，简单易行、通用性高，便于实际操作。

本发明所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，包括以下步骤：

(1)测定稀土新电源电芯的重量，记为M₁，将稀土新电源电芯装入电池壳，顶盖密封好后，加装安全阀一起称重，记为M₂；

(2)打开安全阀，进行常压注液后封口，称重，记为M₃；按照现有化成工艺进行化成活化后称重，记为M₄；

(3)搁置，在惰性气体常压气氛下打开旋转阀，倒出里面的流动电解液后，对倒出来的电解液进行称重，记为M₆；再加入电解液，加入的电解液量进行称重，记为M₇，计算吸液率。

吸液率的计算公式为以下两种中的一种：

吸液率ν₁＝[(M₃-M₄)+(M₃-M₂)]/M₁*100％

或吸液率ν₂＝[|(M₇-M₆)|+(M₃-M₄)+(M₃-M₂)]/M₁*100％。

获得的吸液率数据可以反过来进一步指导电池制作技术的工艺条件和工艺流程，在设计全新电池中，该膨胀率数据可以作为设计依据，在实践中进行再验证。

吸液率误差的计算公式为：

吸液率误差：Δν＝|(ν₁-ν₂)|/ν₁*100％。

每个单体测试所获得的膨胀率同样数据有两个，前后可以直接进行误差计算，我们把它作为内部纵向指标，并和多个电池的横向指标误差进行对比，从而获得非常客观的数据。

电池壳为透明的、底部带有旋转阀的方型电池壳。稀土新电源为方型叠片结构，因此，采用方型电池壳，测试的电池壳为透明的有机玻璃(有机玻璃扳的厚度为10mm，采用ABS胶水进行无气泡粘接)，这是因为测试过程中，可以直观的看到内部反应情况。在没有特殊说明下，所有测试环境温度均为20±5℃。此外电池壳尺寸根据测试的电芯容量和尺寸可以加工制作，非常适合各类容量的稀土新电源进行1:1实际测试。

优选地，电池壳的结构如下：电池壳包括电池壳壳体，电池壳壳体上部设有顶盖，顶盖上设有安全阀，电池壳壳体内有稀土新电源电芯，电池壳壳体底部设有旋转阀，稀土新电源电芯内包含负极片。负极片优选为30片。

操作过程中进行称重时，精确至0.0001g。称重采用万分之一精度的天平，测试过程中，旋转阀需要开启一次，里面跑出来的气体可能是微量的，化成和充放电五次过程中也会产生气体，气压过高的情况下，可能会从安全阀跑出去，跑出的气体量很少，本发明采用天平精度为万分之一，可以控制重量误差在0.1％以内。

搁置时间为48～72h。稀土新电源负极片的反应为催化机理，在充放电过程中，电池内部会产生大量气体，主要是氢气，停止充电或放电后，在一定的时间内，负极片的稀土合金会会逐渐催化吸附产生的氢气，电池内部的气压会逐渐降低到与外界大气压平衡，这个过程需要时间48～72h，时间太短，内压还没有充分保证降低到与外界气压一致，过早开启旋转阀，跑出来的气体会造成电解液重量偏低，时间太长，电池自放电率会呈现增大趋势，而这个也会产生气体，造成内压不降反升，开启旋转阀也会造成内部气体损失，也造成电解液重量偏低。

惰性气体为氮气或氩气，纯度不低于99.9％。稀土新电源所用电池材料稀土合金遇到空气中的氧气，容易氧化，影响稀土合金的催化性能，在惰性气体氛内操作，隔绝空气中的氧气，不影响电池性能，确保测试前后电化学性能一致，控制影响因素造成的影响在误差范围内。

步骤(3)中所述的倒出里面的流动电解液，倒出时间需要0.5～1h。打开旋转阀，倾倒电解液需要时间，因为电池极片里面都是包覆有隔膜，隔膜为无纺布材料，具有三维孔径，对液体具有毛细管作用，因此如果时间太短，电芯底部悬浮液滴下不来，时间太长，悬浮液滴可能又被吸附到上面；在合适的时间内，适当的晃动，可以助力悬浮液滴落下。

本发明通过透明的、底部带有旋转阀的方型电池壳，在现有电池制作技术的工艺条件和工艺流程的条件下，稀土新电源电芯以完整结构装入电池壳内，按照既定流程进行操作，每个操作前后均进行均进行称重，将电解液重量差换算为体积，与稀土新电源负极片体积进行比较，从而可以获得稀土新电源负极片在实际使用过程中的电芯吸液率数据，同时还可以获得膨胀率数据。

作为一种优选的技术方案，本发明在测试稀土新电源电芯吸液的同时，还可以测试稀土新电源负极片膨胀率，包括以下步骤：

(1)测定负极片的体积，记为V₀，测定稀土新电源电芯的重量，记为M₁，将稀土新电源电芯装入电池壳，顶盖密封好后，加装安全阀一起称重，记为M₂；

(2)打开安全阀，进行常压注液后封口，称重，记为M₃；按照现有化成工艺进行化成活化后称重，记为M₄；

(3)搁置一定时间后，在惰性气体常压气氛下打开旋转阀，倒出里面的流动电解液后，对电池进行称重，记为M₅；对倒出来的电解液进行称重，记为M₆；再加入电解液，加入的电解液量进行称重，记为M₇；加完电解液后，对关闭旋转阀的完整电池进行称重，记为M₈；

(4)对电池充放电五次，搁置一定时间后，对电池进行称重，记为M₉；然后在惰性气体常压气氛下打开旋转阀，倒出里面流动的电解液，对倒出的电解液进行称重，记为M₁₀；倒出电解后的电池也进行称重，记为M₁₁。

对电池充放电五次是指荷电率变化从0～100％。荷电率变化从0～100％指的是充电刚好充满，放电统一放电到1.0V，正好放电完毕，充放电电流均为0.2C；电流如果太小，需要时间过长，电流如果太大，会导致电池内部内压升高快，前后五次的电化学性能差异高于允许的误差值。

稀土新电源负极片膨胀率的计算公式为以下两种中的一种：

膨胀率μ₁＝[M₆+(M₄-M₃)+(M₄-M₅-M₆)]/ρV₀*100％；

或膨胀率μ₂＝[M₁₀+(M₈-M₉)+(M₉-M₁₀-M₁₁)]/ρV₀*100％；

其中，ρ为电解液比重。

电解液优选为6mol/L的KOH溶液，比重为1.2900g/L。获得的膨胀率数据可以反过来进一步指导电池制作技术的工艺条件和工艺流程，在设计全新电池中，该膨胀率数据可以作为设计依据，在实践中进行再验证。

膨胀率误差的计算公式为：

膨胀率误差：Δμ＝|(μ₁-μ₂)|/μ₁*100％。

每个单体测试所获得的膨胀率同样数据有两个，前后可以直接进行误差计算，我们把它作为内部纵向指标，并和多个电池的横向指标误差进行对比，从而获得非常客观的数据。

综上所述，本发明具有以下优点：

(1)本发明特别适用于测试稀土新电源电芯吸液，本测试方法在不改变电池制作技术的工艺条件和工艺流程的条件下，可以方便的测量稀土新电源电芯吸液的实际数据，且误差小，可重复性好。

(2)本发明对每个单体测试所获得的稀土新电源电芯吸液有两个，前后可以直接进行误差计算，提高准确率，我们把它作为内部纵向指标，并和多个电池的横向指标误差进行对比，从而获得非常客观的数据，在设计全新电池中，该稀土新电源电芯吸液可以作为设计依据，在实践中进行再验证，减少研发成本和缩短研发周期。

(3)本发明简单易行、通用性高，便于实际操作。

(4)本发明测试稀土新电源电芯吸液率的方法准确可靠，测试结果的重复一致性很好。

(5)本发明测试中的数据M₇若大于M₁₀+(M₉-M₁₀-M₁₁)，表明电池活化制度不合理，需要进一步改进，若M₇等于M₁₀+(M₉-M₁₀-M₁₁)，则表明化成工艺非常合理，本发明测量的结果可直接反映测试对象在电池内的实际表现，具有实际指导意义，测试结果因而可以用于改进化成工艺。

附图说明

图1是本发明实施例所采用的电池壳的结构示意图；

图中：1-电池壳壳体，2-稀土新电源电芯，3-顶盖，4-安全阀，5-旋转阀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种测试稀土新电源负极片膨胀率和电芯吸液的方法：

(1)测定负极片的体积，记为V₀，测定稀土新电源电芯的重量，记为M₁，以完整结构装入透明的、底部带有旋转阀的方型电池壳，顶盖密封好后，加装安全阀一起称重，记为M₂；

(2)打开安全阀，进行常压注液后封口，称重，记为M₃；按照现有化成工艺进行化成活化后称重，记为M₄；

(3)搁置60h后，在惰性气体常压氮气气氛下打开旋转阀，倒出里面的流动电解液，持续0.8h后，对电池进行称重，记为M₅；对倒出来的电解液进行称重，记为M₆；再加入电解液，加入的电解液量进行称重，记为M₇；加完电解液后，对关闭旋转阀的完整电池进行称重，记为M₈；

(4)对电池充放电五次，荷电率变化从0～100％，搁置60h后，对电池进行称重，记为M₉；然后在惰性气体常压氮气气氛下打开旋转阀，倒出里面流动的电解液，持续0.8h后，对倒出的电解液进行称重，记为M₁₀；倒出电解后的电池也进行称重，记为M₁₁。

所用的电池壳的结构如图1所示，电池壳包括电池壳壳体1，电池壳壳体1上部设有顶盖3，顶盖3上设有安全阀4，电池壳壳体1内有稀土新电源电芯2，电池壳壳体1底部设有旋转阀5，稀土新电源电芯2内包含负极片，负极片为30片。

测试出来的数据，通过膨胀率的计算公式计算出负极片膨胀率μ₁和膨胀率μ₂分别为2.1017％和2.0964％；通过电芯吸液率的计算公式计算出吸液率ν₁和ν₂分别是14.4709％和14.4688％。误差分别为0.25％和0.015％，均小于0.3％的允许误差，测试精度满足要求。

实施例2

一种测试稀土新电源负极片膨胀率和电芯吸液的方法：

(1)测定负极片的体积，记为V₀，测定稀土新电源电芯的重量，记为M₁，以完整结构装入透明的、底部带有旋转阀的方型电池壳，顶盖密封好后，加装安全阀一起称重，记为M₂；

(2)打开安全阀，进行常压注液后封口，称重，记为M₃；按照现有化成工艺进行化成活化后称重，记为M₄；

(3)搁置48h后，在惰性气体常压氩气气氛下打开旋转阀，倒出里面的流动电解液，持续0.5h后，对电池进行称重，记为M₅；对倒出来的电解液进行称重，记为M₆；再加入电解液，加入的电解液量进行称重，记为M₇；加完电解液后，对关闭旋转阀的完整电池进行称重，记为M₈；

(4)对电池充放电五次，荷电率变化从0～100％，搁置48h后，对电池进行称重，记为M₉；然后在惰性气体常压氩气气氛下打开旋转阀，倒出里面流动的电解液，持续0.5h后，对倒出的电解液进行称重，记为M₁₀；倒出电解后的电池也进行称重，记为M₁₁。

所用的电池壳的结构与实施例1相同。

测试出来的数据，通过膨胀率的计算公式计算出负极片膨胀率μ₁和膨胀率μ₂分别为2.1003％和2.0994％；通过电芯吸液率的计算公式计算出吸液率ν₁和ν₂分别是14.4698％和14.4683％。误差分别为0.05％和0.01％，均小于0.3％的允许误差，测试精度满足要求。

实施例3

一种测试稀土新电源负极片膨胀率和电芯吸液的方法：

(1)测定负极片的体积，记为V₀，测定稀土新电源电芯的重量，记为M₁，以完整结构装入透明的、底部带有旋转阀的方型电池壳，顶盖密封好后，加装安全阀一起称重，记为M₂；

(2)打开安全阀，进行常压注液后封口，称重，记为M₃；按照现有化成工艺进行化成活化后称重，记为M₄；

(3)搁置72h后，在惰性气体常压氮气气氛下打开旋转阀，倒出里面的流动电解液，持续1h后，对电池进行称重，记为M₅；对倒出来的电解液进行称重，记为M₆；再加入电解液，加入的电解液量进行称重，记为M₇；加完电解液后，对关闭旋转阀的完整电池进行称重，记为M₈；

(4)对电池充放电五次，荷电率变化从0～100％，搁置72h后，对电池进行称重，记为M₉；然后在惰性气体常压氮气气氛下打开旋转阀，倒出里面流动的电解液，持续1h后，对倒出的电解液进行称重，记为M₁₀；倒出电解后的电池也进行称重，记为M₁₁。

所用的电池壳的结构与实施例1相同。

测试出来的数据，通过膨胀率的计算公式计算出负极片膨胀率μ₁和膨胀率μ₂分别为2.0998％和2.0959％；通过电芯吸液率的计算公式计算出吸液率ν₁和ν₂分别是14.4703％和14.4619％。误差分别为0.19％和0.06％，均小于0.3％的允许误差，测试精度满足要求。

Claims (9)

1.一种测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)测定稀土新电源电芯的重量，记为M₁，将稀土新电源电芯装入电池壳，顶盖密封好后，加装安全阀一起称重，记为M₂；

(2)打开安全阀，进行常压注液后封口，称重，记为M₃；按照现有化成工艺进行化成活化后称重，记为M₄；

(3)搁置，在惰性气体常压气氛下打开旋转阀，倒出里面的流动电解液后，对倒出来的电解液进行称重，记为M₆；再加入电解液，加入的电解液量进行称重，记为M₇，计算吸液率。

2.根据权利要求1所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：吸液率的计算公式为以下两种中的一种：

吸液率ν₁＝[(M₃-M₄)+(M₃-M₂)]/M₁*100％

或吸液率ν₂＝[|(M₇-M₆)|+(M₃-M₄)+(M₃-M₂)]/M₁*100％。

3.根据权利要求2所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：

吸液率误差的计算公式为：

吸液率误差：Δν＝|(ν₁-ν₂)|/ν₁*100％。

4.根据权利要求1所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：电池壳为透明的、底部带有旋转阀的方型电池壳。

5.根据权利要求4所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：电池壳包括电池壳壳体，电池壳壳体上部设有顶盖，顶盖上设有安全阀，电池壳壳体内有稀土新电源电芯，电池壳底部设有旋转阀，稀土新电源电芯内包含负极片。

6.根据权利要求1所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：称重时，精确至0.0001g。

7.根据权利要求1所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：搁置时间为48～72h。

8.根据权利要求1所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：惰性气体为氮气或氩气，纯度不低于99.9％。

9.根据权利要求1所述的测试稀土新电源电芯吸液率的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的倒出里面的流动电解液，倒出时间需要0.5～1h。