CN111354955B - 一种热电池单体电池测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于热电池测试的技术领域，具体涉及一种热电池单体电池测试装置及测试方法。该装置包括单体电池装配系统和单体电池电性能测试系统，所述的单体电池装配系统包括第一不锈钢支架、电机、上压力板、上绝缘片、上集流片、第二不锈钢支架、推退料装置、单体电池、防溢流环、不锈钢片、下集流片、下绝缘片、下压力板、压力传感器和加热炉；每次测试时不需要反复组装单体电池装配系统，大大简化了单体电池的组装与测试难度，保证了单体电池测试条件的一致性；将恒温系统与恒压系统分开设置，不会造成加热装置在高压力下的破损，保证了两个系统各自工作的稳定性。

Description

一种热电池单体电池测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于热电池测试的技术领域，具体涉及一种热电池单体电池测试装置及测试方法。

背景技术

热电池是一种使用电池本身的加热系统把不导电的固态盐类电解质加热熔融成离子型导体而进入工作状态的热激活一次储备电源，主要作为航空导弹、鱼雷等核武器的工作主电源使用。热电池是由无数个单体电池串并联组成，每个单体电池均采用三合一的制片方式，即由正极、电解质、负极组成；正极为FeS₂和CoS₂,负极一般使用锂硅合金，大功率、高流量密度下可用锂硼合金，电解质采用两LiCl-KCl电解质或者三元全锂LiCl-LiF-LiBr电解质。

现有热电池单体电池组装测试技术中，专利号为201811091393.6的专利申请，公开了一种热电池单体电池测试装置及测试方法，其测试装置中的单体电池装配系统中的压头、绝缘片、集流片为分体式，每次测试前都需要一一重新组装，这大大增加了单体电池装配系统的组装难度，影响了测试的效率。而且该技术中采用压头紧固螺丝对单体电池施加测试用压力，这种方法施加的压力很难精确控制。再者温度方面采用管式炉加热，在高温下将整个单体电池装配系统推入管式炉内进行测试，这就增加了操作者的操作难度，很难保证测试气氛的稳定性。专利号为201910476130.5的专利申请，公开了一种恒温恒压式热电池电性能测试系统及其测试方法，该发明技术将装配系统放置于手套箱中保证了热电池测试气氛的稳定性，但是该发明技术将热炉盘与压力机相连接，在长期压力机施加测试用高压力的情况下，加热炉盘外部结构及内部加热配件很容易变形损坏，在加热炉盘破损的情况下压力机很难保证对单体电池垂直施加恒定的压力，故该发明技术很难为单体电池测试提供长期稳定的装配系统，影响单体电池的测试连续性及稳定性。

发明内容

本发明就是针对现有技术中的热电池单体电池装配系统组装繁琐、操作难度大、压力不可控、或炉盘在高压力下易破损等问题，提供了一种简单、易行的热电池单体电池的测试装置及测试方法。每次测试时不需要反复组装单体电池装配系统，大大简化了单体电池的组装与测试难度，保证了单体电池测试条件的一致性；将恒温系统与恒压系统分开设置，不会造成加热装置在高压力下的破损，保证了两个系统各自工作的稳定性。该发明装置还设置有连续推退料装置和防溢流环，能够防止负极材料的溢流粘连到集流片上，实现了单体电池的连续测试。

本发明的技术方案为：

一种热电池单体电池测试装置，该装置包括单体电池装配系统和单体电池电性能测试系统，

所述的单体电池装配系统包括第一不锈钢支架、电机、上压力板、上绝缘片、上集流片、第二不锈钢支架、推退料装置、单体电池、防溢流环、不锈钢片、下集流片、下绝缘片、下压力板、压力传感器和加热炉；

在所述的加热炉的中部固定有第二不锈钢支架，在第二不锈钢支架上固定有推退料装置；所述的加热炉在位于第二不锈钢支架的上方还分别开有推料口和退料口，退料口下面设置有与退料口配合的收料盘，用于收集测试完毕的单体电池；

所述的单体电池装配系统的上集流片和下集流片分别通过金属导线与单体电池测试系统相连。

进一步的，该热电池单体电池测试装置，所述的上集流片、上绝缘片及上压力板为一个整体，上压力板通过加热炉顶部开孔与电机相连固定在第一不锈钢支架上；所述的下集流片、下绝缘片及下压力板为一个整体，下压力板通过加热炉底部开孔与压力传感器相连。所述的上压力板通过电机驱动下降对单体电池施加测试用压力，压力传感器感受压力保证压力施加的稳定性，提供了单体电池测试用恒压环境；所述的加热炉提供了单体电池测试用恒温环境。

进一步的，加热炉上设置有观察视窗，能够实时观察单体电池在恒温恒压下的工作情况。

进一步的，该热电池单体电池测试装置，所述的上绝缘片与上集流片通过伸出的极耳由紧固螺丝固定，上集流片直径小于上绝缘片直径；所述的下集流片与下绝缘片通过伸出的极耳由紧固螺丝固定，下集流片的直径小于下绝缘片的直径。绝缘片与集流片的一体式紧固设计能够避免每次测试时的反复拆卸，集流片直径小于绝缘片直径能够保证单体电池在测试过程中的电阻小、保温及绝缘效果好。

进一步的，该热电池单体电池测试装置，所述的推退料装置包括推料杆、推料盘和退料盘。进一步的，所述的推料杆上标记有位置标识，确保将单体电池、防溢流环和不锈钢片推送到下集流片中心位置处。进一步的，所述的推料盘和退料盘的内表面与下集流片上表面的高度一致，便于推退料操作。

进一步的，该热电池单体电池测试装置，所述的防溢流环为有孔石棉片或云母片，底部固定在不锈钢片上。测试时，将单体电池装配到防溢流环的内孔中，再在防溢流环顶部固定好不锈钢片。

进一步的，该热电池单体电池测试装置，所述的防溢流环的内径大于单体电池直径，防溢流环的外径与不锈钢片的直径相匹配，防溢流环的厚度与单体电池的厚度相匹配。

进一步的，所述的上绝缘片、下绝缘片为云母片；所述的上集流片、下集流片为不锈钢片或镍片。

进一步的，该热电池单体电池测试装置，所述的单体电池是将负极材料、隔膜材料、正极材料在3t-10t压力下压制而成，所述的负极材料为锂硼合金、锂硅合金或锂铝合金；所述的隔膜材料为三元全锂电解质LiF-LiCl-LiBr与MgO的混合物，所述的正极材料为FeS₂或CoS₂、三元全锂电解质LiF-LiCl-LiBr与Li₂O的混合物。

本发明的所述的单体电池装配系统，使用时置于手套箱中，工作环境为水含量≤10PPM,氧含量≤10PPM。

本发明的另一目的，在于提供使用上述所述的单体电池测试装置进行单体电池测试的方法，所包括的具体步骤是：

(1)将除单体电池、防溢流环及不锈钢片以外的单体电池装配系统提前转移入手套箱内，手套箱通高纯氩气，保证手套箱内水含量≤10ppm,氧含量≤10ppm；

(2)启动加热炉的升温程序，按照升温速率5-10℃/min，升温至500℃，设置好恒温段，备用；

(3)待温度恒定后，将组装好的单体电池、防溢流环及不锈钢片转移到单体电池装配系统上的推退料控制装置的推料盘上，通过推料杆，按照标记好的位置标识，将单体电池、防溢流环和不锈钢片推送到下集流片中心位置处；

(4)通过压力传感器控制压力为0.6-1t，通过电机控制上压力板、上绝缘片、上集流片向下运动，最终对单体电池施加测试用压力；

(5)通过单体电池测试系统的电流电压采集线连接好单体电池装配系统中的上集流片的金属导线和下集流片的金属导线，设置好放电工步，在50-200mA/cm²电流密度下进行电化学性能测试；

(6)单体电池测试完成后，通过电机控制上压力板、上绝缘片、上集流片向上运动，通过推料杆将单体电池、防溢流环及不锈钢片推送出测试区域，收集到收料盘中，随后依次通过步骤(3)-(5)进行下一个单体电池的测试。

本发明的有益效果在于：

本发明的热电池单体电池测试装置，提供了一种简单、易行的热电池单体电池的测试装置。该装置将上集流片、上绝缘片及上压力板加工成一个整体，通过加热炉顶部开孔与电机相连固定在第一不锈钢支架上；将下集流片、下绝缘片及下压力板加工成一个整体，通过加热炉底部开孔与压力传感器相连；以上结构构成了单体电池恒温恒压的装配系统。

此外，单体电池装配系统中的上下集流片通过金属导线与单体电池电性能测试系统相连，实现单体电池电化学性能参数的采集。

在单体电池测试之前将加热炉温度加热恒温至测试温度，只需通过推退料装置将单体电池、防溢流环、不锈钢片，推送至下集流片指定位置，通过压力机控制上压力板向下移动对单体电池施加测试用恒定压力，加热炉提供测试用温度，能够实现单体电池短时间内激活放电工作；每次测试时不需要反复组装单体电池装配系统，大大简化了单体电池的组装与测试难度，保证了单体电池测试条件的一致性。

将恒温系统与恒压系统分开设置，不会造成加热装置在高压力下的破损，保证了恒温恒压系统各自工作的稳定性。

该发明装置还设置有连续推退料装置和防溢流环，能够防止负极材料的溢流粘连到集流片上，实现了单体电池的连续测试，使用本发明的测试装置进行单体电池测试时，只需要通过推退料装置将单体电池、防溢流环、不锈钢片，推送至下集流片指定位置，不需要反复组装单体电池装配系统，大大简化了单体电池的组装与测试难度，保证了单体电池测试条件的一致性。

结合该测试装置，本发明的测试方法步骤简单、操作便捷、最大程度的保证了测试条件的稳定性和确定性，并且保证了加热结构的耐用性，总之，测试结果准确、测试系统稳定、测试方法便捷，适于大规模的工业化推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明单体电池装配系统结构示意图。

图2为绝缘片俯视图。

图3为集流片俯视图。

图4为推退料装置俯视图。

图5为单体电池、防溢流环、不锈钢片装配图。

图6为单体电池测试曲线。

图中：1-第一不锈钢支架、2-电机、3-上压力板、4-上绝缘片、5-上集流片、6-第二不锈钢支架、7-推退料装置、8-单体电池、9-防溢流环、10-不锈钢片、11-下集流片、12-下绝缘片、13-下压力板、14-压力传感器、15-加热炉。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1一种热电池单体电池测试装置

该装置包括单体电池装配系统和单体电池电性能测试系统，图1为单体电池装配系统。

结合图2-5，可以看到，所述的单体电池装配系统包括第一不锈钢支架1、电机2、上压力板3、上绝缘片4、上集流片5，所述的上集流片5、上绝缘片4及上压力板3为一个整体，上压力板3通过加热炉15顶部开孔与电机2相连固定在第一不锈钢支架1上；

还包括第二不锈钢支架6、推退料装置7、单体电池8、防溢流环9、不锈钢片10、下集流片11、下绝缘片12、下压力板13、压力传感器14和加热炉15；所述的下集流片11、下绝缘片12及下压力板13为一个整体，下压力板13通过加热炉15底部开孔与压力传感器14相连。所述的上绝缘片4与上集流片5通过伸出的极耳由紧固螺丝固定，上集流片5直径小于上绝缘片4直径；所述的下集流片11与下绝缘片12通过伸出的极耳由紧固螺丝固定，下集流片11的直径小于下绝缘片12的直径。上集流片5、下集流片11直径为50mm，上绝缘片4、下绝缘片12的直径为70mm。

结合图2和图3，对绝缘片和集流片的结构进行了展示，其中上集流片5、下集流片11结构相同，下绝缘片12、上绝缘片4结构相同。

所述的单体电池装配系统的上集流片5和下集流片11分别通过金属导线与单体电池测试系统相连。

在所述的加热炉15的中部固定有第二不锈钢支架6，在第二不锈钢支架6上固定有推退料装置7；所述的加热炉15在位于第二不锈钢支架6的上方还分别开有推料口71和退料口72，退料口72下面设置有与退料口72配合的收料盘73，用于收集测试完毕的单体电池；所述的推退料装置7包括推料杆74、推料盘75和退料盘76，所述的推料杆74上标记有位置标识，确保将单体电池8、防溢流环9和不锈钢片10推送到下集流片11中心位置处；所述的推料盘75和退料盘76的内表面与下集流片11上表面的高度一致，便于推退料操作。

在使用时，所述的上压力板3通过电机2驱动下降对单体电池8施加测试用压力，压力传感器14感受压力保证压力施加的稳定性，提供了单体电池8测试用恒压环境；所述的加热炉15提供了单体电池8测试用恒温环境。

另外，在加热炉15上设置有观察视窗，能够实时观察单体电池在恒温恒压下的工作情况。

实施例2一种热电池单体电池测试装置

该热电池单体电池测试装置，所述的防溢流环9为有孔石棉片或云母片，底部固定在不锈钢片10上。测试时，将单体电池8装配到防溢流环9的内孔中，再在防溢流环9顶部固定好不锈钢片10。

该热电池单体电池测试装置，所述的防溢流环9的内径大于单体电池8直径，防溢流环9的外径与不锈钢片10的直径相匹配，防溢流环9的厚度与单体电池6的厚度相匹配。

具体为，所述的防溢流环9的内径为35mm、外径为45mm，厚度为0.8mm，所述的不锈钢片10的直径为45mm。

所述的上绝缘片4、下绝缘片12为云母片；所述的上集流片5、下集流片11为不锈钢片或镍片。

其余技术特征同实施例1。

实施例3单体电池

本发明中的单体电池8是将负极材料、隔膜材料、正极材料在3t-10t压力下压制而成，所述的负极材料为锂硼合金、锂硅合金或锂铝合金；所述的隔膜材料为三元全锂电解质LiF-LiCl-LiBr与MgO的混合物，所述的正极材料为FeS₂或CoS₂、三元全锂电解质LiF-LiCl-LiBr与Li₂O的混合物。单体电池8的直径为32mm，厚度为0.8mm。

所述的单体电池8其制备包括：

(1)负极材料：所述的负极材料优选为锂硼合金；

(2)隔膜材料：所述的隔膜材料为三元全锂电解质LiF-LiCl-LiBr与MgO的混合物，是由配比为5％LiF、10％LiCl、35％LiBr和50％MgO构成。

(3)正极材料：所述的正极材料为FeS₂、三元全锂电解质与Li₂O的混合物,是由配比为80％FeS₂、16％三元全锂电解质、4％Li₂O构成。

其制备过程为：在露点低于-40℃的干燥间内，在直径为32mm的单体电池模具内，加入正极材料，铺平，用1t的压力预压；再加入隔膜材料，铺平，用1t压力预压；在隔膜材料上方放入一片锂硼合金片，作为负极；在6t压力下成型，退模，重复上述操作3次，制得3个单体电池8。

测试前，分别将防溢流环9的底部固定在不锈钢片10上，将单体电池8装配到防溢流环9的内孔中，再在防溢流环9顶部固定好不锈钢片10备用。

实施例4

使用上述所述的单体电池测试装置进行单体电池测试的方法，所包括的具体步骤是：

(1)将除单体电池8、防溢流环9及不锈钢片10以外的单体电池装配系统提前转移入手套箱内，手套箱通高纯氩气，保证手套箱内水含量≤10ppm,氧含量≤10ppm；

(2)启动加热炉15的升温程序，按照升温速率5-10℃/min，升温至500℃，设置好恒温段，备用；

(3)待温度恒定后，将组装好的单体电池8、防溢流环9及不锈钢片10转移到单体电池装配系统上的推退料控制装置7的推料盘75上，通过推料杆74，按照标记好的位置标识，将单体电池8、防溢流环9和不锈钢片10推送到下集流片11中心位置处；

(4)通过压力传感器14控制压力为0.6-1t，通过电机2控制上压力板3、上绝缘片4、上集流片5向下运动，最终对单体电池施加测试用压力；

(5)通过单体电池测试系统的电流电压采集线连接好单体电池装配系统中的上集流片5的金属导线和下集流片11的金属导线，设置好放电工步，在100mA/cm²电流密度下进行电化学性能测试；

(6)单体电池测试完成后，通过电机2控制上压力板3、上绝缘片4、上集流片5向上运动，通过推料杆74将单体电池8、防溢流环9及不锈钢片10推送出测试区域，收集到收料盘73中，随后依次通过步骤(3)-(5)进行下一个单体电池的测试。

通过图6可以看出，三次测试的电压曲线，在200-800S期间，单体电池均具有约2.0v的电压平台；在800-1500S期间单体电池电压缓慢从2.0V降到1.50V；在1500-2600S期间，单体电池具有约1.50v的电压平台；在2600-2800S期间单体电池电压缓慢从1.5V降到1.25V。

综上所述，用本发明所述的单体电池测试装置能够有效地测试出单体电池的电化学性能，且三次测试的结果具有重复性和一致性。

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种热电池单体电池测试装置，其特征在于，该装置包括单体电池装配系统和单体电池电性能测试系统，

所述的单体电池装配系统包括第一不锈钢支架、电机、上压力板、上绝缘片、上集流片、第二不锈钢支架、推退料装置、单体电池、防溢流环、不锈钢片、下集流片、下绝缘片、下压力板、压力传感器和加热炉；

在所述的加热炉的中部固定有第二不锈钢支架，在第二不锈钢支架上固定有推退料装置；所述的加热炉在位于第二不锈钢支架的上方还分别开有推料口和退料口，退料口下面设置有与退料口配合的收料盘，用于收集测试完毕的单体电池；

所述的单体电池装配系统的上集流片和下集流片分别通过金属导线与单体电池测试系统相连；

所述的上集流片、上绝缘片及上压力板为一个整体，上压力板通过加热炉顶部开孔与电机相连固定在第一不锈钢支架上；所述的下集流片、下绝缘片及下压力板为一个整体，下压力板通过加热炉底部开孔与压力传感器相连；

所述的推退料装置包括推料杆、推料盘和退料盘；所述的推料杆上标记有位置标识；所述的推料盘和退料盘的内表面与下集流片上表面的高度一致。

2.根据权利要求1所述的热电池单体电池测试装置，其特征在于，加热炉上设置有观察视窗。

3.根据权利要求1所述的热电池单体电池测试装置，其特征在于，所述的上绝缘片与上集流片通过伸出的极耳由紧固螺丝固定，上集流片直径小于上绝缘片直径；所述的下集流片与下绝缘片通过伸出的极耳由紧固螺丝固定，下集流片的直径小于下绝缘片的直径。

4.根据权利要求1所述的热电池单体电池测试装置，其特征在于，所述的防溢流环为有孔石棉片或云母片，底部固定在不锈钢片上。

5.根据权利要求4所述的热电池单体电池测试装置，其特征在于，所述的防溢流环的内径大于单体电池直径，防溢流环的外径与不锈钢片的直径相匹配，防溢流环的厚度与单体电池的厚度相匹配。

6.根据权利要求1所述的热电池单体电池测试装置，其特征在于，所述的上绝缘片、下绝缘片为云母片；所述的上集流片、下集流片为不锈钢片或镍片。

7.根据权利要求1所述的热电池单体电池测试装置，其特征在于，所述的单体电池是将负极材料、隔膜材料、正极材料在3t-10t压力下压制而成，所述的负极材料为锂硼合金、锂硅合金或锂铝合金；所述的隔膜材料为三元全锂电解质LiF-LiCl-LiBr与MgO的混合物，所述的正极材料为FeS₂或CoS₂、三元全锂电解质LiF-LiCl-LiBr与Li₂O的混合物。

8.使用上述权利要求1所述的热电池单体电池测试装置进行单体电池测试的方法，其特征在于，所包括的具体步骤是：

（1）将除单体电池、防溢流环及不锈钢片以外的单体电池装配系统提前转移入手套箱内，手套箱通高纯氩气，保证手套箱内水含量≤10ppm,氧含量≤10ppm；

（2）启动加热炉的升温程序，按照升温速率5-10℃/min，升温至500℃，设置好恒温段，备用；

（3）待温度恒定后，将组装好的单体电池、防溢流环及不锈钢片转移到单体电池装配系统上的推退料控制装置的推料盘上，通过推料杆，按照标记好的位置标识，将单体电池、防溢流环和不锈钢片推送到下集流片中心位置处；

（4）通过压力传感器控制压力为0.6-1t，通过电机控制上压力板、上绝缘片、上集流片向下运动，最终对单体电池施加测试用压力；

（5）通过单体电池测试系统的电流电压采集线连接好单体电池装配系统中的上集流片的金属导线和下集流片的金属导线，设置好放电工步，在50-200 mA/cm²电流密度下进行电化学性能测试；

（6）单体电池测试完成后，通过电机控制上压力板、上绝缘片、上集流片向上运动，通过推料杆将单体电池、防溢流环及不锈钢片推送出测试区域，收集到收料盘中，随后依次通过步骤（3）-（5）进行下一个单体电池的测试。

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