CN107293778A - 一种三电极电池及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电极电池，包括外壳、正极、负极、隔膜、电解液、参比电极、镍极耳，参比电极设于正极、负极之间，隔膜分别设于正极与参比电极之间、参比电极与负极之间，整体封装于外壳中，外壳中填充电解液。参比电极一端为裸露铜丝，完全置于正极和负极之间，三电极交流阻抗测试前作镀锂处理；另一端为漆包线，漆包线一部分浸在电解液中，另一部分位于正极和负极之外，且延伸至外壳外侧，与镍极耳连接，镍极耳与外壳固定，本发明还公开了其制备方法。本发明的优点是抗信号干扰能力强，制作成本低廉，保证锂离子在正负极间的传输，对锂离子电池使用过程中正极电位、负极电位和阻抗进行原位监控，明显提高检测的准确性，检测效率高。

Description

一种三电极电池及其制备方法
技术领域
本发明涉及锂离子电池领域，尤其涉及一种三电极电池及其制备方法。
背景技术
锂离子电池因具有体积小、能量密度大、对环境无污染等优点，已经被越来越广泛地应用于各类电子产品和新能源汽车行业中。尤其随着新能源汽车的发展，锂离子电池呈爆发式增长，但是电动汽车对锂离子电池寿命的要求越来越高，其中电池的容量衰减和功率衰减是制约电动汽车进一步发展的瓶颈。
锂离子电池使用过程中，电池的电解液和正负极材料缓慢地发生着副反应，如电解液消耗、负极SEI膜增厚、电压降低、负极析锂等。这就需要一种原位检测电池内部化学和电化学反应的方法，三电极方法是有效原位监控电池在服役过程中发生副反应的方法。
一种锂离子电池的三电极装置(国别：中国，公告号：CN202949008U，公告日期：2013-05-10)中，采用的参比电极为金属锂片，金属锂片的直径为10～20mm，厚度为0.2cm。锂离子电池在循环充放电过程中，参比电极锂片会阻挡锂离子的传输，对应正负极区域无法脱嵌锂，形成死区，这种方法研究寿命的结果是不可靠的。
一种软包装锂离子电池三电极组装方法(国别：中国，公布号：CN105470577A，公布日期：2016-04-06)中，三电极体系中参比电极为银丝、金丝或者铂丝，这样的裸露的金属丝在电解液中会对电信号造成干扰，同时用贵金属丝制作的三电极成本会比较高。
一种三电极电池(国别：中国，公告号：CN204130649U，公告日期：2015-01-28)公开了一种三电极体系，其中参比电极为微米金属铜丝或者微米金属铂丝，其表面设置镀锂层，金属丝或金属丝表面镀锂裸露在电解液中，会通过电解液对测试的正极-参比电极，负极-参比电极的电信号造成干扰，结果受到影响，另外，铂丝做参比电极比较昂贵。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种三电极电池及其制备方法，不影响锂离子在正极和负极间的传输，不会对电信号造成干扰，制作成本低廉。
技术方案：
一种三电极电池，包括外壳、正极、负极、隔膜、电解液、参比电极、镍极耳，所述参比电极设于所述正极、所述负极之间，所述隔膜分别设于所述正极与所述参比电极之间、所述参比电极与所述负极之间，整体封装于所述外壳中，所述外壳中填充所述电解液。所述参比电极一端为裸露铜丝，完全置于所述正极和所述负极之间，另一端为漆包线，所述漆包线一部分浸在所述电解液中，另一部分位于所述正极和所述负极之外，且延伸至所述外壳外侧，与所述镍极耳连接，所述镍极耳与所述外壳固定，这样的结构抗电信号干扰能力强。
优选的，为了保证原位检测电池内部化学和电化学反应的效果，所述裸露铜丝表面在测试交流阻抗前进行镀锂处理，所述镀锂处理的工艺为在0.01～2mA电流作用下，对所述参比电极进行镀锂，反应时间为20～30min。
优选的，为了不影响锂离子电池循环充电过程中离子的传输，所述漆包线的直径小于所述正极、所述负极和所述隔膜的厚度，所述漆包线的直径为5～20um。
具体的，为了检测连接方便，该三电极电池还包括正极转接片、负极转接片，分别与所述正极、所述负极连接，且均位于所述外壳外侧。
具体的，所述正极、所述负极、所述隔膜、所述参比电极进行卷绕后封装于所述外壳中。
具体的，所述外壳为铝塑袋或铝壳。
上述三电极电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将漆包铜线的一端，约为2～5cm置于浓硫酸中反应10～30min，待该端的漆包铜线外层完全被腐蚀，铜丝裸露在外时制得所述参比电极，用蒸馏水清洗3～5次，使得所述裸露铜丝表面残留的浓硫酸清洗干净后；
步骤2、将所述裸露铜丝完全置于所述正极、所述负极之间，所述正极与所述参比电极、所述参比电极与所述负极之间分别用所述隔膜隔开；
步骤3、将所述正极、所述负极、所述参比电极、所述隔膜封装于所述外壳中，将所述电解液填充于所述外壳中；
步骤4、电流为0.01～2mA时，分别用所述正极和所述负极对所述参比电极进行镀锂，反应时间为20～30min。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是参比电极一端为漆包线，另一端为镀锂的铜丝，不会通过电解液对电信号造成干扰，制作成本低廉，保证锂离子在正负极间的传输，对锂离子电池使用过程中正极电位、负极电位和阻抗进行原位监控，明显提高检测的准确性，检测效率高，有利于推进锂离子电池的寿命的研究。
附图说明
图1为正极、负极、隔膜与参比电极的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3为正极和负极对参比电极的EIS图谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
如图1所示，一种三电极电池，包括外壳1、正极2、负极3、隔膜4、电解液、参比电极、镍极耳5、正极转接片8、负极转接片9，参比电极一端为裸露铜丝6(图中虚线部分)，另一端为漆包线7。参比电极设于正极2、负极3之间，其中裸露铜丝6完全置于正极2和负极3之间，漆包线7一端位于正极2、负极3外侧。正极2、参比电极、负极3之间分别设有隔膜4，隔膜4位于正极2与参比电极之间、参比电极与负极3之间。如图2所示(图中正极2、负极3、隔膜4未画出)，正极2、参比电极、负极3整体卷绕之后封装于外壳1中，外壳1可采用铝塑袋或铝壳，外壳1中填充电解液。漆包线7一部分浸在电解液中，另一部分引出电池外部，并焊接在镍极耳5上，并用胶带10固定，镍极耳5与外壳1固定。参比电极位于正极2、负极3外侧的部分采用漆包线7，有效地避免了外露的裸露金属丝对电信号的干扰，抗干扰能力强。将正极转接片8与正极2焊接，负极转接片9与负极3焊接，正极转接片8、负极转接片9均位于外壳1外侧，便于检测线路的连接。漆包线7的直径小于正极2、负极3和隔膜4的厚度，采用直径为5～20um的漆包线7，避免对锂离子在正负极之间的传输造成影响。封装完成后再对裸露铜丝6表面进行镀锂处理，即使采用价格低廉的铜丝，也能保证检测电池内部化学和电化学反应的效果。
上述三电极电池的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将漆包铜线的一端，约为2～5cm置于浓硫酸中反应10～30min，待漆包铜线外层完全被腐蚀，铜丝裸露在外时，用蒸馏水清洗3～5次，使得裸露铜丝表面残留的浓硫酸清洗干净后，制得参比电极；
步骤2、将参比电极的裸露铜丝完全置于正极、负极之间，正极与参比电极、参比电极与负极之间分别用隔膜隔开；
步骤3、将正极、负极、参比电极、隔膜整体进行卷绕后，封装于外壳中，利用正极转接片、负极转接片、镍极耳分别将正极、负极、参比电极引出外壳，将电解液填充于外壳中，裸露铜丝完全浸于电解液中，且完全位于正极与负极之间；
步骤4、控制电流为0.01～2mA，分别用正极和负极对参比电极进行镀锂，反应时间为20～30min。
用EIS分别测试该三电极电池、正极-参比电极、负极-参比电极的阻抗，测试条件为：室温、频率范围为0.02Hz～1000Hz、电池在50％SOC下测试，分别测试循环前的交流阻抗，循环500周和循环1000周后的交流阻抗，得到的正极对参比电极和负极对参比电极的EIS图谱如图3所示，正极对参比电极的曲线和负极对参比电极的曲线均保持规则的形状，表明参比电极对正极和负极的电信号几乎没有影响，该三电极电池抗信号干扰能力强。
如图3所示，曲线与横轴的交点为欧姆阻抗RΩ，第一个圆弧半径为SEI膜阻抗RSEI，第二个圆弧半径为电荷转移Rct，该三电极电池的测试拟合结果如表1所示，从表1的拟合阻抗数据可以看出循环后电池的欧姆阻抗RΩ、SEI膜阻抗RSEI和电荷转移阻抗Rct均增大，其中负极的RSEI和正极的Rct增大明显，说明随着循环的进行负极SEI膜增厚，消耗了活性锂离子，容量衰减，同时正极的电荷转移速度变慢，电池的功率衰减。
表1.三电极电池的测试拟合结果
该三电极电池的参比电极一端为裸露铜丝，裸露铜丝完全介于正极和负极之间，EIS测试前分别用正极和负极对参比电极的裸露铜丝表面镀锂；参比电极另一端为漆包线，漆包线一部分浸在电解液中，一部分引出电池外部，并焊在镍极耳上，浸在电解液中的漆包线部分有效避免了正负极通过电解液对EIS结果造成干扰，该方法制作成本低廉，检测效果好。参比电极的直径小于隔膜的厚度和正负极材料的粒径，不影响锂离子在正负极间的传输，对锂电池服役过程中正极、负极电位和阻抗的变化进行有效原位监控，有效监控电池内部副反应的发生，有效研究电池寿命衰减的机理。

Claims (10)

1.一种三电极电池，包括外壳(1)、正极(2)、负极(3)、隔膜(4)、电解液，其特征在于：还包括参比电极、镍极耳(5)，所述参比电极设于所述正极(2)、所述负极(3)之间，所述隔膜(4)分别设于所述正极(2)与所述参比电极之间、所述参比电极与所述负极(3)之间，整体封装于所述外壳(1)中，所述外壳(1)中填充所述电解液，所述参比电极一端为裸露铜丝(6)，完全置于所述正极(2)和所述负极(3)之间，另一端为漆包线(7)，所述漆包线(7)一部分浸在所述电解液中，另一部分位于所述正极(2)和所述负极(3)之外，且延伸至所述外壳(1)外侧，与所述镍极耳(5)连接，所述镍极耳(5)与所述外壳(1)固定。
2.根据权利要求1所述的一种三电极电池，其特征在于：所述裸露铜丝(6)表面在测试交流阻抗前进行镀锂处理。
3.根据权利要求2所述的一种三电极电池，其特征在于：所述镀锂处理的工艺为在0.01～2mA电流作用下，对所述参比电极进行镀锂，反应时间为20～30min。
4.根据权利要求1所述的一种三电极电池，其特征在于：所述漆包线(7)的直径小于所述正极(2)、所述负极(3)和所述隔膜(4)的厚度。
5.根据权利要求4所述的一种三电极电池，其特征在于：所述漆包线(7)的直径为5～20um。
6.根据权利要求1所述的一种三电极电池，其特征在于：还包括正极转接片(8)、负极转接片(9)，分别与所述正极(2)、所述负极(3)连接，且均位于所述外壳(1)外侧。
7.根据权利要求1所述的一种三电极电池，其特征在于：所述正极(2)、所述负极(3)、所述隔膜(4)、所述参比电极进行卷绕后封装于所述外壳(1)中。
8.根据权利要求1所述的一种三电极电池，其特征在于：所述外壳(1)为铝塑袋或铝壳。
9.一种权利要求1-8任意一项所述的三电极电池的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、将漆包铜线的一端置于浓硫酸中反应10～30min后，得到所述参比电极，用蒸馏水清洗3～5次所述裸露铜丝；
步骤2、将所述裸露铜丝完全置于所述正极、所述负极之间，所述正极与所述参比电极、所述参比电极与所述负极之间分别用所述隔膜隔开；
步骤3、将所述正极、所述负极、所述参比电极、所述隔膜封装于所述外壳中，将所述电解液填充于所述外壳中。
10.根据权利要求9所述的三电极电池的制备方法，其特征在于在步骤3之后还包括：
步骤4、用电流为0.01～2mA，分别通过所述正极和所述负极对所述参比电极进行镀锂，反应时间为20～30min。
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