CN109959869B

CN109959869B - 一种锂-空扣式电池测试装置

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Publication number: CN109959869B
Application number: CN201711389189.8A
Authority: CN
Inventors: 刘久清; 赵海均
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-11-09
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN109959869A

Abstract

本发明公开了一种可用于锂‑空扣式电池的测试装置，它包括：测试瓶、除杂装置、鼓风装置。其中测试瓶为圆柱形，分上下2个部分，且在连接层下有密封圈；瓶内有刀片与夹持装置，且夹持装置可以通过瓶体上的软套进行操作，可以在密闭环境下划破封口袋。在测试瓶外连接有除杂装置，除杂装置使用吸附剂去除空气中的CO₂和H₂O并对除杂后气体进行CO₂与H₂O检测。除杂装置与测试瓶密封连接，鼓风装置将空气鼓入除杂装置，干燥并去除CO₂后通入测试装置中。本发明具有拆装方便、制作成本低廉、气氛稳定、可以实现锂‑空扣式电池使用空气测试及全程隔绝CO₂和H₂O等优点。

Description

一种锂-空扣式电池测试装置

技术领域

本发明涉及一种锂-空扣式电池测试装置的制作方法。

背景技术

锂-空电池是以金属锂作为负极，空气电极为正极的高比能量电池，其预计可实现的比能量为10000Wh/kg以上，是新一代高能电池。

空气中存在的CO₂和水蒸气，或者氧气中未除尽的水蒸气进入锂-空(氧) 电池中，可能与锂负极接触，生成LiOH或Li₂CO₃，从而在一定程度上腐蚀锂负极并进一步减少电池的容量，损坏其循环性能。因此目前实验室对锂-空电池的研究不得不转为对锂-氧电池的研究。但高纯氧的成本较高，且研究的最终目的是实现对空气中氧气的利用，因此，一个可以使用空气进行测试的锂-空电池测试系统很有研究必要。

锂-空扣式电池因为容易装配、测试且成本较低被广泛使用，故本专利主要涉及与锂-空扣式电池测试相关的系统。

为避免空气中CO₂和H₂O对锂-氧电池的影响，锂-空扣式电池的装配在氩气气氛的手套箱中进行，测试也应在无CO₂，无H₂O环境下进行。从手套箱到测试箱的转移过程及测试箱中的连接过程常常不可避免地要和空气中的CO₂和 H₂O接触，而这必然会对实验结果产生较大影响。目前较常用的解决办法是直接将测试箱转移到手套箱中，在手套箱的氩气气氛下直接实现电池与测试箱的连接，这样的确可以避免与CO₂和H₂O的接触，但测试箱的体积较大，往手套箱中转移常常有诸多限制，操作起来也很不方便。

发明内容

本发明的目的在于提供一个可以在手套箱外实现扣式电池与测试装置连接，可以避免与空气中CO₂和H₂O接触，且操作方便的测试装置。

为了实现该目的，本发明公开了一种锂-空扣式电池测试装置，它包括：测试装置、除杂装置、鼓风装置。其中测试装置包括测试瓶瓶体、进气管、出气管、正极导线束、负极导线束、扣式电池底座、刀片、载物台与夹持装置；除杂装置包括：3个密封瓶，1个U型干燥管，并分别配有进气管、出气管，各密封瓶、干燥管依次密封连接，瓶(管)内按照需要装有除杂、检测试剂；鼓风装置选择各类鼓风机均可。

进一步地，其特征在于测试瓶瓶体所用材料为塑料或玻璃，且所用塑料、玻璃均为透明材质。测试瓶瓶体为圆柱形，底部半径取5～30cm，高度取8～30cm。测试瓶分上下两个部分，测试瓶上部与测试瓶下部通过连接层紧密连接，连接方式为螺纹连接、法兰连接的一种，且在连接层下有向内突出的圆环状的密封层，在密封层与连接层之间有密封胶圈。

进一步地，其特征在于扣式电池底座被固定在测试瓶瓶底或通过支架固定在瓶中；扣式电池底座数量根据需求及测试瓶大小可取1～16个，各扣式电池底座均匀摆放，且互为开路状态，并使用带绝缘外皮的导线通过正、负极导线束延伸到测试瓶外分别与测试装置相连；扣式电池底座、导线、测试装置接口分别编号且一一对应。

进一步地，其特征在于刀片被固定在测试瓶上，刀片锋口朝上，刀刃与测试瓶壁夹角取30度～60度。载物台位于刀片正下方1～5cm处，且与刀片垂直与测试瓶瓶底平行。载物台材质取玻璃、橡胶、塑料、金属均可。

进一步地，其特征在于在测试瓶上部的瓶壁上有套有密封橡胶囊的缺口，橡胶囊长度取3～16cm，缺口取半径2～6cm的圆孔或边长4～12cm的方孔。橡胶囊内连接夹持装置的一端并可自由操作夹持装置；夹持装置为被绝缘层包覆或单边被绝缘层包覆的镊子。

进一步地，其特征在于正极导线束、负极导线束分别为各扣式电池底座正极外接导线、负极外接导线的集合，导线间彼此绝缘且导线束被绝缘层紧紧包覆。

进一步地，其特征在于测试瓶、密封瓶的进气管、出气管分别被固定在测试瓶、密封瓶的上部，并垂直瓶底；进气管瓶内长度为瓶体高度的2/3～7/8，出气管瓶内长度低于测试瓶高度的1/5；U型管内进出气管的长度取5～25mm。所有进气管、出气管及连接管所用材料为玻璃、陶瓷、橡胶、塑料中的一种。

进一步地，其特征在于密封瓶1、2、3顶部均有密封盖，可以通过密封盖添加试剂；底部均有带开关的出液管，可以放出废液；密封瓶为塑料或玻璃材质，且瓶壁透明；测试瓶1、2、3及U型干燥管所装试剂依次为二氧化碳吸附剂、二氧化碳检测剂、水吸附剂、水检测剂，且密封瓶中试剂应没过进气管而不触及出气管，U型管中试剂量应占据U型管80％以上容积。其中二氧化碳吸附剂取氢氧化钠溶液、石灰水、碳酸钠溶液中的一种；二氧化碳检测剂选澄清石灰水；水吸附剂选浓H₂SO₄，且如果将密封瓶3替换为U型管，水吸附剂还可选无水氯化钙、变色硅胶、固体氢氧化钠、碱石灰、活性氧化铝、硫酸钙中的一种；水检测剂选无水硫酸铜。

进一步地，其特征在于鼓风装置使用各类市面有售鼓风机均可，通过压力表转接除杂装置，通过调节档位及观察压力表调节鼓风量。

进一步地，其特征在于按照气体流动方向，各装置摆放顺序依次为鼓风装置、除杂装置和测试瓶。所有管接口、瓶口均密封且加有密封胶。测试瓶出气管固定在装有植物油的烧杯中。

附图说明

图1是测试瓶组成图，其中：1-进气管，2-出气管，3-测试瓶上部，4-连接层，5-密封圈，6-测试瓶下部，7-橡胶囊，8-夹持装置，9-刀片，10-载物台，11- 扣式电池底座，12-正极导线束，13-负极导线束。

图2是除杂装置组成图，其中：14-1号密封瓶，15-2号密封瓶，16-3号密封瓶，17-U型管，18-连接管，19-除杂装置进气管，20-除杂装置出气管，21-密封盖，22-带开关的出液口。

与现有技术相比，本发明具有诸多优势。

1、制作成本低,测试瓶瓶体、密封瓶、干燥管、各种连接管及各种零部件均可使用廉价的塑料，原料易得且塑形成本低。一个测试瓶可以同时测试多个电池，提高了效率也降低了成本。

2、操作方便，气密性好。本发明采用螺纹连接或法兰连接，均可较方便的拆装。在密封圈上加上密封胶垫，在各个接口均加有密封胶，可以实现与外界气体的完全隔绝。

3、可以实现对空气中氧气的利用。相较目前使用较多的高纯氧，空气的成本几乎可以被忽略。

4、能够实现去除鼓入空气中的CO₂与H₂O，并检验是否除尽。通过鼓风装置将空气鼓入除杂装置，使用CO₂吸附剂除去CO₂，并观察随后密封瓶中澄清石灰水的变化，若继续澄清代表CO₂已经除尽。使用H₂O干燥剂去除H₂O，并用U型管中无水硫酸铜检验H₂O是否除尽，若无水硫酸铜不变色，则已经除尽。

5、可以实现电池从装配到测试过程中与外界空气的隔离，或者说与外界空气中CO₂与H₂O的隔离。氩气环境下在手套箱中装配好锂-空扣式电池，压紧后置入封口袋中并封口。取出封口袋置入本发明所述测试瓶中，合上并密封测试瓶。从进气管通入鼓风机鼓入的经除杂装置除杂的无CO₂和H₂O的空气，并将原有气体通过出气管排出，持续通气5min～20min后使用瓶内的夹持装置及刀片将封口袋划破，取出锂-空扣式电池，并以空气电极朝上的方向将锂-空扣式电池装入扣式电池底座，连接电路即可按照预设工步开始测试。在这一过程中，锂-空扣式电池所接触的气氛只有纯氩气气氛与除杂后的空气，不与CO₂与H₂O发生接触。同样的，测试中的电池可以随时停止测试，在装置中装入封口袋后取出，在不与空气中CO₂和H₂O接触的条件下开展一系列的检测，获得对电池测试过程中电池内部变化更准确的观察。这是现有装置难以实现的。

6、本发明的密封瓶带有密封盖，可以自由加入除杂剂与检测剂；本发明的密封瓶带有带开关的出液口，可以自由放出残液并随时保持封闭；本发明的测试瓶出气管末端插入装植物油的烧杯中，可以有效检测是否漏气及气体通入速度，并防止管末尾有CO₂和H₂O进入。本发明的测试瓶中刀片下方有载物台，用于放置封口袋，防止覆盖测试电池而影响实验结果。本发明的大部分组件均为无色透明，可以方便地观测实验过程中的现象变化。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1、图2，一种锂-空扣式电池测试装置，包括测试瓶、除杂装置、鼓风装置，其中，测试瓶包括进气管1，出气管2，测试瓶上部3，连接层4，密封圈5，测试瓶下部6，橡胶囊7，夹持装置8，刀片9，载物台10，扣式电池底座 11，正极导线束12，负极导线束13。进气管1，出气管2设置在测试瓶上部3 的顶部，连接层4下有密封圈5，橡胶囊7连接在测试瓶上部的外侧，夹持装置的一端靠近橡胶囊7，另一端可以延伸到测试瓶下部6的底部与侧面，在测试瓶6的侧面还有刀片9与载物台10。扣式电池底座被固定在测试瓶下部6的底部，并通过正极导线束12、负极导线束13分别与电池检测系统相连接。除杂装置包括1号密封瓶14，2号密封瓶15，3号密封瓶16，U型管17，连接管18，除杂装置进气管19，除杂装置出气管20，密封盖21，带开关的出液口22。其中，3 号密封瓶16可以替换为U型管。在密封瓶、U型管中按照气体流动方向依次加入CO₂吸附剂、CO₂检测剂、H₂O吸附剂、H₂O检测剂。

下面结合附图、实施例对本发明进行说明：

实施例一

本实施例中，测试瓶的上部、下部，连接层，密封圈及载物台均为玻璃材质，进气管、出气管为橡胶管，夹持装置为单边用绝缘层包覆的镊子，刀片为不锈钢材质。密封瓶、U型管及除杂装置中所有进气、出气管、连接管均为玻璃管。

本实施例中，测试瓶底面圆半径为9cm，瓶体高度为14cm；进气管、出气管被固定在测试瓶瓶顶，进气管瓶内长度为9cm，出气管瓶内长度为1cm。瓶体上下2个部分的连接方式为螺纹连接，在螺纹偏下紧挨螺纹处有圆环状密封圈，密封圈上放有与之契合的密闭胶圈。测试瓶上部瓶壁有半径2cm的圆孔，并与长度为5cm的橡胶囊紧密连接，并确保连接处不会漏气。刀片及载物台在测试瓶下部与橡胶囊相对的方向，刀片封口朝上，与瓶壁夹角为45°；8个扣式电池底座被固定在测试瓶瓶底，相邻电池座间距基本一致；电池底座与检测系统电路一一对应连接，在瓶壁处捆扎为正极导线束、负极导线束，线路间彼此始终保持开路。

本实施例中，密封瓶数量取3个，U型干燥管数量取1个，CO₂吸附剂选用石灰水，CO₂检测剂选用澄清石灰水，H₂O吸附剂选用浓硫酸，H₂O检测剂选用无水硫酸铜。

本实施例中，锂-空扣式电池的装配在氩气环境的手套箱中进行，装好的电池在手套箱的氩气环境下用封口机压紧并装入封口袋中，将封口袋密封。从手套箱中取出后，置入测试瓶中，并密封测试瓶。用鼓风机将空气鼓入除杂装置的第一个进气管，经除杂处理的空气从测试瓶的进气管鼓入，并经出气管鼓入装有植物油的烧杯中。持续通气20min后，使用橡胶囊控制夹持装置，将封口袋在刀片上划破，并取出电池。将电池区分好正负极一一扣入扣式电池底座中，并将破损的封口袋放置到载物台上，操作完成后将夹持装置也架在载物台上。设置好电池检测系统的工步，保持通气，即可开始测试电池。

实施例二

本实施例中，测试瓶瓶体使用塑料材质，测试瓶底面圆半径取4cm，测试瓶高度取10cm，所有进、出气管使用橡胶管，测试瓶中进气管瓶内长度7cm，瓶底固定扣式电池底座数量为1，橡胶囊长度为4cm，密封瓶数量取2个，H₂O吸附剂选碱石灰，其它组件与实施例1保持一致。

本实施例中，设置好电池检测系统的工步后开始测试电池，持续通气5h后，用止水夹将进气管、出气管夹紧，构建密闭的测试瓶环境，并停止通气。其他操作步骤与实施例1一致。

实施例三

本实施例中，测试瓶连接部分使用法兰连接，测试瓶底面半径取28cm，测试瓶高度取19cm，所有进、出气管使用橡胶管，测试瓶进气管瓶内长度取15cm，瓶底固定扣式电池底座数量取16，橡胶囊长度取8cm，CO₂吸附剂选用碳酸钠溶液，其它组件与实施例1保持一致。

本实施例中，设置好电池检测系统工步后开始测试电池，持续通气12h后，用止水夹将进气管、出气管夹紧，关闭鼓风机，继续保持电池测试，12h后打开止水夹继续通气12h，如此反复，直到测试结束。

Claims

1.一种锂-空扣式电池测试装置，其特征在于，包括：测试瓶、除杂装置、鼓风装置；其中测试瓶包括测试瓶瓶体、进气管、出气管、正极导线束、负极导线束、扣式电池底座、刀片、载物台和密封胶圈；夹持装置包括：橡胶囊和镊子；除杂装置包括：密封瓶，U型干燥管，并分别配有进气管、出气管；各密封瓶、干燥管依次密封连接，瓶内按照需要装有除杂、检测试剂；鼓风装置选择各类鼓风机均可；测试过程中进气管通入鼓风机鼓入的经除杂装置除杂的无CO₂和H₂O的空气，并将原有气体通过出气管排出，持续通气5min～20min后使用瓶内的夹持装置及刀片将封口袋划破，取出锂-空扣式电池，并以空气电极朝上的方向将锂-空扣式电池装入扣式电池底座，连接电路即可按照预设工步开始测试。

2.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于测试瓶瓶体所用材料为塑料或玻璃，且所用塑料、玻璃均为透明材质；测试瓶瓶体为圆柱形，底部半径取3～30cm，高度取6～30cm；测试瓶分上下两个部分，测试瓶上部与测试瓶下部通过连接层紧密连接，连接方式为螺纹连接、法兰连接的一种，且在连接层下有向内突出的圆环状的密封层，在密封层与连接层之间有密封胶圈。

3.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于扣式电池底座被固定在测试瓶瓶底；扣式电池底座数量根据需求及测试瓶大小可取1～16个，各扣式电池底座均匀摆放，且互为开路状态，并使用带绝缘外皮的导线通过正、负极导线束延伸到测试瓶外分别与测试装置相连；扣式电池底座、导线、测试装置接口分别编号且一一对应。

4.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于刀片被固定在测试瓶瓶体上，刀片锋口朝上，刀刃与测试瓶壁夹角取30度～60度；载物台位于刀片正下方1～5cm处，且与刀片垂直与测试瓶瓶底平行；载物台材质取玻璃、橡胶、塑料、金属均可。

5.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于在测试瓶上部的瓶壁上有套有密封橡胶囊的缺口，橡胶囊长度取3～16cm，缺口取半径2～6cm的圆孔或边长4～12cm的方孔；橡胶囊内连接夹持装置的一端并可自由操作夹持装置；夹持装置为被绝缘层包覆或单边被绝缘层包覆的镊子。

6.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于正极导线束、负极导线束分别为各扣式电池底座正极外接导线、负极外接导线的集合，导线间彼此绝缘且导线束被绝缘层紧紧包覆。

7.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于测试瓶、密封瓶的进气管、出气管分别被固定在测试瓶、密封瓶的上部，并垂直瓶底；进气管瓶内长度为瓶体高度的2/3～7/8，出气管瓶内长度低于测试瓶高度的1/5；U型管内进出气管的长度取5～25mm；所有进气管、出气管及连接管所用材料为玻璃、陶瓷、橡胶、塑料中的一种。

8.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于密封瓶顶部均有密封盖，可以通过密封盖添加试剂；底部均有带开关的出液管，可以放出废液；密封瓶为塑料或玻璃材质，且瓶壁透明；密封瓶的数量选2个或3个，对应U型干燥管数量选2个或1个；且密封瓶在前，U型干燥管在后；密封瓶及U型干燥管所装试剂依次为二氧化碳吸附剂、二氧化碳检测剂、水吸附剂、水检测剂，且密封瓶中试剂应没过进气管而不触及出气管，U型管中试剂量应占据U型管80％以上容积；其中二氧化碳吸附剂取氢氧化钠溶液、石灰水、碳酸钠溶液中的一种；二氧化碳检测剂选澄清石灰水；当密封瓶数量为3个时，水吸附剂选浓H₂SO₄，当密封瓶数量为2个时，水吸附剂还可选无水氯化钙、变色硅胶、固体氢氧化钠、碱石灰、活性氧化铝、硫酸钙中的一种；水检测剂选无水硫酸铜。

9.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于鼓风装置使用各类市面有售鼓风机均可，通过压力表转接除杂装置，通过调节档位及观察压力表调节鼓风量。

10.根据权利要求1所述的锂-空扣式电池测试装置，其特征在于按照气体流动方向，各装置摆放顺序依次为鼓风装置、除杂装置和测试瓶；所有管接口、瓶口均密封且加有密封胶；测试瓶出气管连通并插入装有植物油的烧杯中。