CN109932222B - 一种用于采集电池内气体的气体采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于采集电池内气体的气体采集装置，涉及气体采集领域，气体采集装置包括：定位机构，具有本体和垂直于本体向上延伸的凸起部，本体内限定有用于容装电池的第一凹腔，凸起部的内部中空，并与第一凹腔相通；固定机构，设置于凸起部的顶部，并与凸起部气密密封对接，固定机构配置成可操作地沿凸起部上下往复移动；微型电钻，设置于固定机构的内部，且配置成随固定机构的往复移动而移动，微型电钻具有位于其下方的钻头，以在微型电钻向下移动时通过钻头钻破外壳；以及气体收集单元，通过管路与凸起部的内部连通，以使气体进入气体收集单元。通过钻破其外部密封包裹的不锈钢或/和铝合金外壳，从而采集电池内溢出的气体并进行检测。

Description

一种用于采集电池内气体的气体采集装置

技术领域

本发明涉及气体采集领域，特别是涉及一种用于采集电池内气体的气体采集装置。

背景技术

随着科技不断发展，电气自动化已经进入到生活中的方方面面，而电池为其提供动力，便显得更为重要，但是电池在使用过一段时间后，其内部容易产生气体，对气体的采集，并对其进行分析，以消除电池内气体产生便显得尤为重要。而对于通过不锈钢或/和铝合金外壳进行密封的电池，其内部产生的气体由于外壳硬度和强度很高，造成电池内气体很难采集。如果电池形状为不规则形状，如圆柱状，其圆弧面具有很强的抵抗外力变形的特点，导致其内部产生的气体几乎无法采集，尤其是由圆柱状不锈钢或/和铝合金外壳包裹的锂电池。

而锂电池作为最为常用的电池，其在化成和使用过程中往往会有气体产生。其中在电池化成工艺过程中消耗电解液形成稳定SEI膜所发生的产气现象为正常产气。异常产气主要是指在电池循环过程中，过渡消耗电解液释放气体或正极材料释氧等现象，造成电池内部压力过大而变形、撑破封装材料、内部电芯接触问题等。对锂电池产生的气体进行定性和定量的分析，有利于研究内部产气的原因和引起电池失效的因素。对锂电池的失效分析，性能改进起到重要的作用。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种用于采集电池内气体的气体采集装置，通过钻破其外部密封包裹的不锈钢或/和铝合金外壳，从而采集电池内溢出的气体并进行检测。

本发明一个进一步的目的是要在钻破电池外壳的同时，保护该电池内部结构，以使后续对电池内部结构进行准确的检测分析。

本发明另一个进一步的目的是要提高收集到的该气体的纯度，以保证检测的准确性。

特别地，本发明提供了一种用于采集电池内气体的气体采集装置，所述电池由不锈钢或/和铝合金外壳气密密封包裹，包括：

定位机构，具有本体和垂直于所述本体向上延伸的凸起部，所述本体内限定有用于容装所述电池的第一凹腔，所述凸起部的内部中空，并与所述第一凹腔相通；

固定机构，设置于所述凸起部的顶部，并与所述凸起部气密密封对接，所述固定机构配置成可操作地沿所述凸起部上下往复移动；

微型电钻，设置于所述固定机构的内部，且配置成随所述固定机构的往复移动而移动，所述微型电钻具有位于其下方的钻头，以在所述微型电钻向下移动时通过所述钻头钻破所述电池的外壳，而使所述电池内的气体溢出；以及

气体收集单元，通过管路与所述凸起部的内部连通，以用于收集溢出的所述气体。

进一步地，相互配合的气密螺纹分别形成于所述凸起部处和所述固定机构处，以使所述固定机构与所述凸起部气密密封对接。

进一步地，所述气体收集单元包括有密闭容器，所述密闭容器由导管与所述凸起部连通，以盛放流入其内的所述气体；

所述气体采集装置还包括抽真空装置，所述抽真空装置与所述导管连接，以将所述密闭容器、所述凸起部的内部及所述第一凹腔内抽真空。

进一步地，所述导管安装有气体流量计，以检测所述气体流量；

所述气体收集单元还包括：

三通管，其互通的第一端至第三端分别与所述导管、所述抽真空装置及所述密闭容器连通；以及

单向阀，安装于所述三通管与所述导管之间，以使所述气体只能流向所述密闭容器；

其中，所述三通管与所述抽真空装置的连通处安装有第一开关阀，所述三通管与所述密闭容器连通处安装有第二开关阀。

进一步地，所述凸起部的内部形成有使所述凸起部顶部与所述第一凹腔贯通的通腔，

所述凸起部的侧壁形成有圆台，所述圆台的侧壁为锥面，所述圆台的顶面形成有与所述通腔连通的通孔，所述圆台插入所述导管的一端并与其侧壁贴合。

进一步地，所述电池的外壳为沿水平方向延伸的圆柱状，所述第一凹腔的形状与所述电池外壳的形状一致，所述钻头的移动方向与所述外壳的圆弧面顶部的素线垂直，以使所述钻头钻破所述外壳。

进一步地，所述定位机构包括可拆卸地连接的第一壳体与第二壳体，所述凸起部形成在所述第一壳体或所述第二壳体上；

所述第一壳体与所述第二壳体的连接处分别固定有硅胶垫，并通过螺纹紧固件将所述硅胶垫相互贴合，以使所述第一壳体与所述第二壳体的连接处形成气密密封；

所述第一凹腔内安装有弹簧，所述外壳的相对两端分别与所述弹簧和所述第一凹腔贴合，以使所述电池固定于所述第一凹腔内；

所述第一壳体与所述第二壳体分别形成有第一腔体与第二腔体，以使所述第一壳体与所述第二壳体连接时，所述第一腔体与所述第二腔体形成所述第一凹腔。

进一步地，所述第一凹腔形状与所述电池外壳形状一致，所述电池安装于所述第一凹腔内时，所述外壳的顶面为平面，所述钻头的移动方向与所述外壳的顶面垂直。

进一步地，所述钻头对所述外壳的钻削深度为0.8mm至1.2mm，所述钻头为锥形磨砂钻头，所述钻头将所述外壳的平面钻穿后，形成0.5mm至1mm直径的孔状部。

进一步地，所述电池为锂电池。

由于定位机构使用第一凹腔将电池安装固定，用于钻破外壳的微型电钻通过凸起部及固定机构保持于电池的上方，并且将固定机构配置成可操作地沿凸起部上下往复移动，这样无论电池外壳为何种形状，由于其外壳与钻头移动方向保持固定不变，从而带动钻头钻破不锈钢或/和铝合金构成的外壳。

另外，本申请的气体采集装置结构简单，其核心部件主要是定位机构、固定机构和微型电钻，除微型电钻的电机外，并没有使用任何传感器件来检测是否将外壳钻穿，而是利用电池外壳、电池内结构及钻头在空载行程中，钻头感受到的硬度及强度完全不同，而这种硬度及强度不同通过操作固定机构可以被采集人员的手感受到，继而判断钻头是否与外壳接触，以及是否将外壳钻破。这样既可以保证钻破电池外壳，又可以通过结构简单的方式来大幅度的降低成本，从而一举两得。

进一步地，利用气密螺纹具有自锁角的特点，也就是说，只有当轩宁螺纹的力大于其自锁力，螺纹才能够被旋转，并推动钻头向下移动。而在旋转过程中，仅仅使固定机构刚好能够相对定位机构转动，也就是其旋转力刚刚大于或等于气密螺纹的自锁角对应的推力。这样以气密螺纹是否发生自锁的自锁力为参考，完全能够控制钻头的向下移动的钻削力的大小，并且当外壳快要被钻穿时，减慢对固定机构的轩宁力度，从而不破坏电池内部结构。

进一步地，由于本申请的气体采集装置可以在钻头向下移动前，先使用抽真空装置将密闭容器、凸起部的内部及第一凹腔内抽真空，一方面可以消除由密闭容器、凸起部的内部及第一凹腔构成的气密密封系统内的其他气体杂质，保证获得的气体纯度。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明所述气体采集装置的结构示意主视图；

图2是根据本发明所述气体采集装置的所述定位机构的结构示意主视图；

图3是图2的侧视图；

图4是第一壳体的示意性俯视图；

图5是第二壳体的示意性俯视图，其中示出了第二壳体内的第二腔体安装有所述电池的情况；

图中附图标记为：

1微型电钻、101钻头、102电机；

2圆柱状锂电池、201外壳；

3定位机构、301第一壳体、3011第一腔体、302第二壳体、3021第二腔体、303第一凹腔、3031弹簧、304凸起部、3041圆台、305通腔、306硅胶垫、307螺纹紧固件；

4固定机构、401第二凹腔；

5气密螺纹；

6气体收集单元、601密闭容器、602导管、603三通管、604单向阀、605第一开关阀、606气体流量计；

7抽真空装置。

具体实施方式

参见图1，本申请提供了一种用于采集电池内气体的气体采集装置，电池2由不锈钢或/和铝合金外壳201气密密封包裹，该气体采集装置包括：定位机构3、固定机构4、微型电钻1以及气体收集单元6。定位机构3具有本体和垂直于本体向上延伸的凸起部304，本体内限定有用于容装电池2的第一凹腔303，凸起部304的内部中空，并与第一凹腔303相通。固定机构4设置于凸起部304的顶部，并与凸起部304气密密封对接，固定机构4配置成可操作地沿凸起部304上下往复移动。微型电钻1设置于固定机构4的内部，且配置成随固定机构4的往复移动而移动，微型电钻1具有位于其下方的钻头101，以在微型电钻1向下移动时通过钻头101钻破外壳201，而使电池2内的气体溢出。气体收集单元6通过管路与凸起部304的内部连通，以使气体进入气体收集单元6。

本申请的气体采集装置的使用过程可以是，首先将电池2安装于第一凹腔303内，然后由采集人员操作固定机构4，使固定机构4沿着凸起部304向下移动，从而带动设置于固定机构4的内部的微型电钻1移动，当钻头101与外壳201表面开始接触时，采集人员通过操作固定机构4感受到钻头101移动速度降低，然后继续操作固定机构4，使微型电钻1下方的钻头101向下移动并钻破外壳201，而使电池2内的气体溢出，然后使气体进入气体收集单元6，当外壳201被钻穿后，由于外壳201内锂电池2结构的硬度与外壳201的硬度不同，使得钻头101的移动速度发生改变并通过操作固定机构4被采集人员感受到。此时检测人员停止操作固定机构4，或者使固定机构4向上移动，使钻头101与外壳201脱离，气体采集过程结束。

由于定位机构3使用第一凹腔303将电池2安装固定，用于钻破外壳201的微型电钻1通过凸起部304及固定机构4保持于电池2的上方，并且将固定机构4配置成可操作地沿凸起部304上下往复移动，这样无论电池2外壳201为何种形状，由于其外壳201与钻头101移动方向保持固定不变，从而带动钻头101钻破不锈钢或/和铝合金构成的外壳201。

另外，本申请的气体采集装置结构简单，其核心部件主要是定位机构3、固定机构4和微型电钻1，除微型电钻1的电机外，并没有使用任何传感器件来检测是否将外壳201钻穿，而是利用电池2外壳201、电池2内结构及钻头101在空载行程中，钻头101感受到的硬度及强度完全不同，而这种硬度及强度不同通过操作固定机构4可以被采集人员的手感受到，继而判断钻头101是否与外壳201接触，以及是否将外壳201钻破。这样既可以保证钻破电池2外壳201，又通过结构简单的方式来大幅度的降低成本，从而一举两得。

进一步地，电池2可以是锂电池2。

特别地，参见图1，通过分别形成于凸起部304处和固定机构4处并相互配合的气密螺纹5，使固定机构4与凸起部304气密密封对接。同时，通过使固定机构4相对凸起部304旋转，而使固定机构4配置成可操作地沿凸起部304上下往复移动。关于气密螺纹5，已属于公知常识，可参考专利CN97106725.2。

需要说明的是，虽然可以将固定机构4配置成可操作地沿凸起部304上下往复移动，例如使用滑槽与滑轨的配合形式，但是，发明人发现，由于外壳201与电池2内结构不是同种物质其强度硬度完全不同，而通常电池2内物质比外壳201的硬度和强度低很多，当钻头101钻穿外壳201的瞬间，钻头101受到的阻力瞬间减小，使得采集人员手的操作力与该阻力之间平衡被打破，使得操作力瞬间增大，根据牛顿定律，钻头101钻削的加速度将达到无穷大，使得钻头101对电池2内结构造成严重破坏，这会大大影响到后续对电池2内结构检测。若使用较小的操作力，来保证不破坏电池2内部结构，则无法使钻头101钻破外壳201，或者耗费时间很长。所以，做到既不破坏外壳201内的锂电池2结构，又可以钻破外壳201，成为巨大难题。

为此，发明人利用气密螺纹5具有自锁角的特点，也就是说，只有当轩宁气密螺纹5的力大于其自锁力，气密螺纹5才可以被旋转，并推动钻头101向下移动。而在旋转过程中，仅仅使固定机构4刚好可以相对定位机构3转动，也就是其旋转力刚刚大于或等于气密螺纹5的自锁角对应的推力。这样以气密螺纹5是否发生自锁的自锁力为参考，完全可以控制钻头101的向下移动的钻削力的大小，并且当外壳201快要被钻穿时，减慢对固定机构4的轩宁力度，从而不破坏电池2内部结构。

参见图1，进一步地，气体收集单元6包括有密闭容器601，通过导管602与凸起部304连通，以盛放流入其内的气体。气体采集装置还包括抽真空装置7，与导管602连接，以将密闭容器601、凸起部304的内部及第一凹腔303内抽真空。需要说明的是，抽真空装置7可以是真空泵。

由于本申请的气体采集装置由密闭容器601、凸起部304的内部及第一凹腔303构成气密密封系统，从而一方面防止在采集电池2内气体时空气中的其他气体的掺入，另一方面防止由电池2内溢出的气体在空气中扩散，导致该气体的采集量大幅度减少。

由于本申请的气体采集装置可以在钻头101向下移动前，先使用抽真空装置7将密闭容器601、凸起部304的内部及第一凹腔303内抽真空，一方面可以消除由密闭容器601、凸起部304的内部及第一凹腔303构成的气密密封系统内的其他气体杂质，保证获得的气体纯度；另一方面，由于将密闭容器601、凸起部304的内部及第一凹腔303内抽真空，而电池2内具有气体，使得外壳201内的气压大于外壳201外的气压，使得钻头101在钻破外壳201时，在气压差作用下，使外壳201内的气体尽可能全部的进入密闭容器601，从而采集到尽可能多的该气体量。

参见图1，进一步地，导管602安装有气体流量计606，以检测气体流量。气体收集单元6还包括：三通管603和单向阀604。三通管603的互通的第一端至第三端分别与导管602、抽真空装置7及密闭容器601连通。单向阀604安装于三通管603与导管602之间，以使气体只能流向密闭容器601。其中，三通管603与抽真空装置7的连通处安装有第一开关阀605，三通管603与密闭容器601连通处安装有第二开关阀(附图未示出)。

在采集气体之前，打开三通管603与抽真空装置7连接处的第一开关阀605，并打开抽真空装置7，抽出气体采集装置内的气体，然后关闭第一开关阀605。启动微型电钻1，缓慢旋转微型电钻1固定装置，至电钻头101接触到外壳201电池2表面，继续缓慢旋转固定机构4下移0.8～1.2mm，至外壳201表面破损，有气体溢出。电池2内部气压大于气体采集装置内部气压，气体从电池2内部流出，通过导管602流入密闭容器601中，单向阀604阻止气体回流，从而可以完整的收集电池2内部的气体。

这样，在采集该气体之前，对包括密闭容器601在内的所有构件进行杂质抽真空处理，以进一步保证获取的气体纯度。

参见图2和图4，进一步地，凸起部304的内部形成有使凸起部304顶部与第一凹腔303贯通的通腔305。凸起部304的侧壁形成有圆台3041，圆台3041的侧壁为锥面，圆台3041的顶面形成有与通腔305连通的通孔，圆台3041插入导管602的一端并与其侧壁贴合。

需要说明的是，圆台3041是指用一个平行于圆锥底面的平面去截圆锥，底面与截面之间的部分叫做圆台3041，圆台3041同圆柱和圆锥一样也有轴、底面、侧面和母线。

由于圆台3041结构的特点，其侧壁呈锥面，具有很好的插接导向性。并且其底部直径更大，可以与导管602内壁形成过盈配合，从而保证密封对接，使得在组装本申请的气体采集装置过程中，只需将圆台304 1插入导管602的一端，便快速实现导管602与凸起部304的密封对接。

参见图1，进一步地，固定机构4形成有朝向其内凹陷的第二凹腔401，微型电钻1的电机102保持于第二凹腔401内，钻头101伸入通腔305内。

进一步地，电池2外壳201为其轴线水平设置的圆柱状，第一凹腔303形状与电池2外壳201形状一致，钻头101的移动方向与外壳201的圆弧面顶部的素线垂直，以使钻头101钻破外壳201。

由于钻头101在接触圆弧面时会发生偏移，使得相对平面很难钻削，而使钻头101的移动方向与外壳201的圆弧面顶部的素线垂直，从而阻止钻头101相对圆弧面偏移，使得使钻头101可以钻破外壳201。

进一步地，定位机构3包括可拆卸地连接的第一壳体301与第二壳体302，凸起部304形成在第一壳体301或第二壳体302上。第一壳体301与第二壳体302的连接处分别固定有硅胶垫306，并通过螺纹紧固件307将硅胶垫306相互贴合，以使第一壳体301与第二壳体302的连接处形成气密密封。第一凹腔303内安装有弹簧3031，外壳201的相对两端分别与弹簧3031和第一凹腔303贴合，以使电池2固定于第一凹腔303内。第一壳体301与第二壳体302分别形成有第一腔体3011与第二腔体3021，以使第一壳体301与第二壳体302连接时，第一腔体3011与第二腔体3021形成第一凹腔303。

使用时先将第一壳体301与第二壳体302分离，然后将电池2放入第一壳体301内，并使电池2的相对两端分别与弹簧3031和第一凹腔303贴合，从而将电池2固定在第一壳体301内。然后将第一壳体301与第二壳体302通过硅胶垫306密封对接，并通过螺纹紧固件307使第一壳体301与第二壳体302密封固定。

需要说明的是，螺纹紧固件307可以是多个环绕第一腔体3011布置于的螺栓。例如，六个螺栓围绕第一凹腔303或第二凹腔401布置。

进一步地，第一凹腔303形状与电池2外壳201形状一致，电池2安装于第一凹腔303内时，外壳201的顶面为平面，钻头101的移动方向与外壳201的顶面垂直。外壳201可以是方形外壳201，或者一侧为曲面，另一侧为平面的外壳201，这里的一侧与另一侧相对设置。

进一步地，钻头101对外壳201的钻削深度为0.8mm至1.2mm，钻头101为锥形磨砂钻头101，钻头101将外壳201的平面钻穿后，形成0.5mm至1mm直径的孔状部。

参见图4和图5，进一步地，第一凹腔303为圆柱状，第一凹腔303的直径为22mm，第一凹腔303的长度为710mm。主要针对直径18～21mm，长度在650～700mm间的圆柱锂电池。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (7)

1.一种用于采集电池内气体的气体采集装置，所述电池由不锈钢或/和铝合金外壳气密密封包裹，包括：

定位机构，具有本体和垂直于所述本体向上延伸的凸起部，所述本体内限定有用于容装所述电池的第一凹腔，所述凸起部的内部中空，并与所述第一凹腔相通；

固定机构，设置于所述凸起部的顶部，并与所述凸起部气密密封对接，所述固定机构配置成可操作地沿所述凸起部上下往复移动；

微型电钻，设置于所述固定机构的内部，且配置成随所述固定机构的往复移动而移动，所述微型电钻具有位于其下方的钻头，以在所述微型电钻向下移动时通过所述钻头钻破所述电池的外壳，而使所述电池内的气体溢出；以及

气体收集单元，通过管路与所述凸起部的内部连通，以用于收集溢出的所述气体；

气密螺纹分别形成于所述凸起部处和所述固定机构处，以使所述固定机构与所述凸起部气密密封对接；

当钻头与外壳表面开始接触时，采集人员通过操作固定机构感受到钻头移动速度下降，然后继续操作固定机构，使微型电钻下方的钻头向下移动并钻破外壳，而使电池内的气体溢出，然后使气体进入气体收集单元，当外壳被钻穿后，由于外壳内锂电池结构的硬度与外壳的硬度不同，使得钻头的移动速度发生改变并通过操作固定机构被采集人员感受到，此时检测人员停止操作固定机构，或者使固定机构向上移动，使钻头与外壳脱离；

所述气密螺纹具有自锁角，当旋拧所述气密螺纹的力大于其自锁力时，气密螺纹才可以被旋转，当所述外壳快要被钻穿时，减慢对所述固定机构的旋拧力度，从而控制所述钻头向下移动的钻削力大小；

所述电池的外壳为沿水平方向延伸的圆柱状，所述第一凹腔的形状与所述电池外壳的形状一致，所述钻头的移动方向与所述外壳的圆弧面顶部的素线垂直，以使所述钻头钻破所述外壳；

所述定位机构包括可拆卸地连接的第一壳体与第二壳体，所述凸起部形成在所述第一壳体或所述第二壳体上；

所述第一壳体与所述第二壳体的连接处分别固定有硅胶垫，并通过螺纹紧固件将所述硅胶垫相互贴合，以使所述第一壳体与所述第二壳体的连接处形成气密密封；

所述第一凹腔内安装有弹簧，所述外壳的相对两端分别与所述弹簧和所述第一凹腔贴合，以使所述电池固定于所述第一凹腔内；

所述第一壳体与所述第二壳体分别形成有第一腔体与第二腔体，以使所述第一壳体与所述第二壳体连接时，所述第一腔体与所述第二腔体形成所述第一凹腔。

2.根据权利要求1所述的气体采集装置，其特征在于，所述气体收集单元包括有密闭容器，所述密闭容器由导管与所述凸起部连通，以盛放流入其内的所述气体；

所述气体采集装置还包括抽真空装置，所述抽真空装置与所述导管连接，以将所述密闭容器、所述凸起部的内部及所述第一凹腔内抽真空。

3.根据权利要求2所述的气体采集装置，其特征在于，

所述导管安装有气体流量计，以检测所述气体流量；

所述气体收集单元还包括：

三通管，其互通的第一端至第三端分别与所述导管、所述抽真空装置及所述密闭容器连通；以及

单向阀，安装于所述三通管与所述导管之间，以使所述气体只能流向所述密闭容器；

其中，所述三通管与所述抽真空装置的连通处安装有第一开关阀，所述三通管与所述密闭容器连通处安装有第二开关阀。

4.根据权利要求3所述的气体采集装置，其特征在于，

所述凸起部的内部形成有使所述凸起部顶部与所述第一凹腔贯通的通腔，

所述凸起部的侧壁形成有圆台，所述圆台的侧壁为锥面，所述圆台的顶面形成有与所述通腔连通的通孔，所述圆台插入所述导管的一端并与其侧壁贴合。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的气体采集装置，其特征在于，所述第一凹腔形状与所述电池外壳形状一致，所述电池安装于所述第一凹腔内时，所述外壳的顶面为平面，所述钻头的移动方向与所述外壳的顶面垂直。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的气体采集装置，其特征在于，所述钻头对所述外壳的钻削深度为0.8mm至1.2mm，所述钻头为锥形磨砂钻头，所述钻头将所述外壳的平面钻穿后，形成0.5mm至1mm直径的孔状部。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的气体采集装置，其特征在于，所述电池为锂电池。

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