CN107478694B - 一种锂电池材料高通量测试平台 - Google Patents

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Abstract

一种锂电池材料高通量测试平台，其特征是由测试腔装置和探头装置构成；其中测试腔装置包括垫圈、测试芯片、外壳、测试腔支撑台；以垫圈为中心，上下对称分布的测试芯片、外壳，通过紧固螺栓连接，螺栓底部安有垫脚；测试腔支撑台与探头装置的中轴杆连接；探头装置包括正/负极金属探针、绝缘传动杆、扰性连轴器、交流加速电机；正/负极金属探针，通过绝缘传动杆与扰性连轴器、交流加速电机相连；正/负极金属探针分别与电化学工作站的工作电极、参比电极相连。本发明可并行、快速进行36个正电极材料、负电极材料、隔膜材料的测试。测试平台中测试芯片可反复使用。具有效率高、成本低的显著优势。

Description

一种锂电池材料高通量测试平台
技术领域
本发明涉及电池材料性能检测领域，特别是涉及锂电池材料的高通量测试。
背景技术
锂电池具有工作电压高、比能量高、循环寿命长、无污染等优点，其应用广泛，发展潜力巨大，为满足应用领域的需求需不断提高电池容量、电池功率、循环性能。锂电池主要的性能指标包含电压、内阻、容量、充放电效率、荷电状态[成霞. 锂电池化成质量评估及智能筛选系统设计与实现，硕博论文，电子科技大学,2015]，其性能则由锂电池材料决定，包括正极、负极、隔膜和电解液等。
电化学工作站可以获得装配电池的性能[李明飞.锂电池化成参数的检测与估计技术研究.硕博论文，电子科技大学，2015]，并评估正极、负极、隔膜材料的性能好坏[蔡勇.锂离子电池电化学性能测试系统及其应用研究，硕博论文，湖南大学，2015；崔涛. 锂离子电池硅基负极材料的制备及其性能研究，硕博论文，燕山大学，2014.]，但一次只能测一个电池，测试一种电池材料。2051单片机为核心器件的锂电池性能测试仪[张友, 孟伟, 楼晓春. 工矿自动化, 2009, 35(3):89]其单个电池测试时间较短，但仍然一次只测一个装配电池，评价一个电池材料的性能，且测试时受测试基准电压和温度的影响下。宋文龙等设计了一款基于PIC单片机的锂电池测试平台[宋文龙，李奔亮，李克新等. 现代科学仪器，2014(5):53]，该测试平台能同时测量8个电池元件，但测试性能仅限于循环充放电。李涛等基于STM32控制器设计开发了一种锂电池性能检测系统[李涛，张彬，刘艳. 自动化仪表，2016,(05):67]，可满足32个电池的循环充放电，但是该系统结构比较复杂、造价相对较高。
现有锂电池测量设备具有或一次只能测一个电池元件、或测试项目单一、或造价较贵等问题 [翁超. 锂电池化成检测系统的设计与实现，硕博论文，厦门大学，2014]。近年来，材料芯片技术首先被广泛应用于新材料的发现和筛选[项晓东，汪洪，向勇,闰宗楷，科技导报.2015, 33(10): 64]。通过此项技术，可实现超导、光学、催化、压电等功能材料的并行制备和快速检测。
发明内容
本发明提出一种可并行测试电池材料平台，通过和电化学工作站连接，可自动化并行测试36个电池正极、负极和隔膜材料，实现电池材料的高通量测试。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种锂电池材料高通量测试平台，由测试腔装置和探头装置构成。其中测试腔装置包括垫圈、测试芯片、外壳、测试腔支撑台；以垫圈为中心，上下对称分布的测试芯片、外壳，通过紧固螺栓连接，螺栓底部安有垫脚；测试腔支撑台与探头装置的中轴杆连接；测试腔装置在测试中保持固定不动。探头装置包括正/负极金属探针、绝缘传动杆、扰性连轴器、交流加速电机；正/负极金属探针，通过绝缘传动杆与扰性连轴器、交流加速电机相连，根据测试要求可以在各测试样品外接点上滑动；测试中正/负极金属探针分别与电化学工作站的工作电极、参比电极相连。
上/下测试芯片均为FR-4玻纤板材质，板面上刷制36个样品阵列测试电路。其中下芯片正面36个样品点呈6×6矩阵排列，样品点通过导线连接到沿圆周均匀分布测试外接点；芯片背面有36个测试外接点，与芯片正面测试外接点一一对应并导通；芯板还附有4个通孔，供紧固螺栓通过。上、下测试芯片测试电路呈镜面对称。
垫圈为橡胶材质的圆环。用于防止电池元件过小时上、下测试芯片上的测试外接点接触引起短路。
外壳由上、下机玻璃圆形透明板组成。圆形透明板外缘有36个圆形通孔，对应上/下测试芯片上36个测试外接点；通孔间用环形槽连接，槽宽为通孔直径的1/2，槽深为通孔孔深的1/2，用于引导正/负极金属探针；圆形板中心另有4个圆形通孔，供紧固螺栓通过。
紧固螺栓由螺杆、螺母构成，螺杆穿过测试芯板、外壳，并用螺母固定其位置。垫脚与螺杆螺纹连接，以便测试腔水平放置在支撑台。
正/负极金属探针与绝缘传动杆之间为螺栓连接可根据需求调整正/负金属探针间距。测试时，正/负极金属探针分别与电化学工作站的工作电极、参比电极相连；在交流加速电机驱动下沿着外壳环形槽滑动；当正/负极金属探针滑入外壳圆形通孔内即与上/下测试芯片外接点相连接，进行样品点电池材料的测试。
测试电池正电极材料时，将36种待测材料分别刷制在上测试芯片样品点上，并在下测试芯片上一次性刷制36个负电极材料及隔膜，上/下测试芯片对接并密封，即同时完成36个电池元件的制作，通过测试外接点连接电化学工作站即可完成同一负极材料条件下36个正电极材料的并行测试。测试电池负电极材料时，将36种代测材料分别刷制在下测试芯片样品点上，并在上测试芯片上一次性刷制36个正电极材料及隔膜，上/下测试芯片对接并密封，即同时完成36个电池元件的制作，通过测试外接点连接电化学工作站即可完成同一正极材料条件下，36个负电极材料的并行测试。测试电池隔膜材料时，分别在上/下测试芯片上刷上正、负同一电极材料，在各样品点分别刷制待测的36种隔膜材料，上/下测试芯片对接并密封，即同时完成36个电池元件的制作，通过测试外接点连接电化学工作站即可完成同一电极材料条件下36个隔膜材料的并行测试。测试结束还可以将不再使用的材料芯片上的材料点除去，印制其他材料点进行研究，测试芯板重复使用。
本发明通过和电化学工作站联合工作，可并行、快速进行36个正电极材料、负电极材料、隔膜材料的测试。测试平台中测试芯片可反复使用。相较于以往电池材料的测试装置，具有效率高、成本低的显著优势。
附图说明
附图1为本发明锂电池材料性能高通量测试的芯片设计的主视图。其中：1为螺杆，2为外壳，3为上/下测试芯片，4为垫圈，5为螺母，6为垫脚，7为正/负极金属探针，8为绝缘传动杆，9为测试腔支撑台，10为扰性连轴器，11为交流加速电机。
附图2为下测试芯片的正、背图俯视图。其中（a）为下面图，（b）为背面图。
附图3为垫圈俯视图。
附图4为外壳俯视图。
具体实施方式
本发明将结合附图，通过以下实施例作进一步地说明。
实施例
一种锂电池材料高通量测试平台，由测试腔装置和探头装置构成。其中测试腔装置包括垫圈4、测试芯片3、外壳2、测试腔支撑台9；以垫圈4为中心，上下对称分布的测试芯片4、外壳2，通过紧固螺栓连接，螺栓底部安有垫脚；测试腔支撑台与探头装置的中轴杆连接；测试腔装置在测试中保持固定不动。探头装置包括正/负极金属探针7、绝缘传动杆8、扰性连轴器10、交流加速电机11；正/负极金属探针7，通过绝缘传动杆8与扰性连轴器10、交流加速电机11相连，根据测试要求可以在各测试样品外接点上滑动；测试中正/负极金属探针7分别与电化学工作站的工作电极、参比电极相连。
按说明说所述将36种代测材料分别刷制测试芯片3上，并将上、下测试芯片3及垫圈4对接并密封。将外壳2在与测试芯片3对接，并用紧固螺栓固定，套上垫脚，放置到测试腔支撑台9上。安装正/负极金属探针7，调节正/负极金属探针7的位置，使得正/负极金属探针7能在交流加速电机11的控制下顺着外壳2的滑槽移动至通孔内，并测试芯片3上外接测试点相连接。将正/负极金属探针7与电化学工作站连，开启电化学工作站工作电源和电脑控制界面。逐个样品点测试开路电压、循环伏安特性曲线、恒流充放电试验（首轮的充放电曲线、循环性能测试）、恒流供电电压、恒压供电电流的相关测试。

Claims (4)

1.一种锂电池材料高通量测试平台，其特征是由测试腔装置和探头装置构成；其中测试腔装置包括垫圈、阵列式测试芯片、外壳、测试腔支撑台；以垫圈为中心，上下对称分布的阵列式测试芯片、外壳，通过螺栓连接，螺栓底部安有垫脚；测试腔支撑台与探头装置的中轴杆连接；探头装置包括正/负极金属探针、绝缘传动杆、扰性连轴器、交流加速电机；正/负极金属探针，通过绝缘传动杆与扰性连轴器、交流加速电机相连；正/负极金属探针分别与电化学工作站的工作电极、参比电极相连；
上/下测试芯片板面上刷制样品阵列测试电路；其中下芯片正面样品点呈矩阵排列，样品点通过导线连接到沿圆周均匀分布测试外接点；芯片背面设有测试外接点，与芯片正面测试外接点一一对应并导通；上、下测试芯片测试电路呈镜面对称。
2.根据权利要求1所述的一种锂电池材料高通量测试平台，其特征是所述样品阵列测试电路为36个；所述样品点呈6×6矩阵排列；所述测试外接点为36个；芯板还附有4个通孔，供螺栓通过。
3.根据权利要求1所述的一种锂电池材料高通量测试平台，其特征是外壳由上、下圆形板组成；圆形板外缘有36个圆形通孔，对应测试芯片上36个测试外接点；通孔间用环形槽连接，槽宽为通孔直径的1/2，槽深为通孔孔深的1/2，用于引导滑针；圆形板中心另有4个圆形通孔，供螺栓通过。
4.根据权利要求1所述的一种锂电池材料高通量测试平台，其特征是正/负极金属探针与绝缘传动杆之间为螺栓连接。
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