CN112903950A - 一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置 - Google Patents

Abstract

一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，属于储能电池技术领域。装置由壳体、温控装置、电化学工作站测试分析系统、惰性气体供气装置、真空泵、无损检测分析系统组成。壳体内设有加热系统、冷却系统循环装置、充放电系统。加热系统包括热电偶、加热基板及加热基座。壳体的开口处设有挡板，挡板有通孔。充放电系统包括两个电极，电极穿过挡板上所对应的通孔，深入到壳体内的腔体中，连接检测样品，电极另一端通过导线连接电化学工作站，用于对所述检测样品提供电化学反应。本装置能实现高温下液态金属电池的电化学反应，还可通过无损检测方式检测液态金属电池电化学过程中关键部件的显微结构及形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。

Description

一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置

技术领域

本发明涉及储能电池技术领域，特别是指一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置。

背景技术

近年来，能源危机及环境污染日益严重，可再生能源得到了前所未有的开发，其装机容量及发电量迅速增长。然而风能、太阳能、潮汐能等可再生能源的波动性及间歇性，增大了电网调峰的难度，并严重阻碍了其进行大规模并网。因此，研发高效率、低成本的大规模储能技术，将风电、光伏等可再生能源电力进行高效存储，解决由可再生能源发电的波动性及间歇性引起的电网电压、频率及相位变化等问题，实现可再生能源发电的平滑输出，迫在眉睫。另外，大规模储能技术还能够应用于电网热备用、“削峰填谷”以及电能质量的改善。研发高效廉价的大规模储能技术，是有效利用可再生能源的关键手段，对我国构建智能电网及改善能源结构具有重要的战略意义。

液态金属电池是近年来新兴的引人注目的大规模电化学储能技术，由麻省理工学院(MIT)的Donald R.Sadoway教授等人提出，其低成本、长寿命及可扩展性强等优势能较好地满足可再生能源大规模储能的技术要求，展现出了巨大的应用潜力。

然而，目前液态金属电池也存在缺点，电池需要在较高的温度下运行，电池内正负极和电解质材料均为液态，它们对水、氧十分敏感。高温下，液态的正负极和电解质材料对正负极集流体、绝缘密封材料、电池壳体等具有一定的腐蚀性，特别是作为负极材料的活性碱金属或碱土金属对密封绝缘材料的腐蚀尤为强烈，这会导致电池的密封效果大大减弱，从而严重影响电池的运行寿命。

上述腐蚀必然会造成液态金属电池电极及电解质材料的成分及微结构变化，而液态金属电池电极及电解质材料的成分组成及微结构对电池的综合性能(电压、容量、效率、循环寿命等)有着十分重要且复杂的影响。现有的液态金属电池检测分析手段(SEM、EDS、XRD等)，不但需要拆卸电池、破坏电池结构、影响其运行寿命，而且增加人力、物力及时间成本。而无损检测技术能够在不破坏被检测对象结构、不影响被检测对象使用性能的前提下，借助先进的技术(射线、超声、电磁等)及设备器材，对被检测对象内部和表面的结构、性质、状态以及各种缺陷进行检查和测试，具有非破坏性、互容性、动态性、严格性以及检测结果的分歧性等特点。

中国发明专利公开说明书CN 110736930 A公开了一种适用于液态金属电池无损检测的装置，该装置包括金属坩埚、正极材料、电解质、负极集流体、金属套环、金属紧固件、密封圈、金属密封压件、金属套管、金属环、绝缘陶瓷、金属帽、负极导电杆。该电池装置能够在短时间内同时探测液态金属和熔盐环境中正负极集流体、密封绝缘材料等关键部件的显微形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。其优点在于既能够充当电池进行电化学测试，又能够在不拆卸电池、不破坏其结构的情况下进行高分辨率无损检测，不仅不会影响其运行寿命，还能节约成本。此外，我们还想要实现高温工作状态下液态金属电池的原位无损检测，并获得电化学过程中关键部件的动态结构及微区形貌变化。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明期望提供一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，该装置不仅能够实现高温下液态金属电池的电化学反应，而且能够用无损检测技术检测电化学过程中电池关键部件的结构及微区形貌变化。

一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于装置由壳体、温控装置、电化学工作站测试分析系统、惰性气体供气装置、真空泵、无损检测分析系统组成。壳体内设有加热系统、冷却系统循环装置、充放电系统。壳体内设有底盘、挡板、入射窗口、透射窗口、进气口、出气口、顶盖、检测样品、固定底座；壳体内部为一腔体，检测样品设置于所述壳体的腔体内；壳体的顶部开设有开口；挡板设置于所述壳体的开口处，中间设有通孔，以引入电极和热电偶，挡板下部与壳体螺纹连接；壳体底部为固定基座，底盘固定连接在固定基座上；壳壁上开设有入射窗口及透射窗口，二者同轴共线设置。

进一步地，为了提高检测分辨率，减小射线源(声源、波源)等与测试样品之间的距离，入射窗口与壳壁平齐，而透射窗口可突出壳壁一定距离，便于调整、校准射线位置。

进一步地，所述底盘固定连接在固定基座上，可采用焊接等连接方式，底盘尺寸形状可根据无损检测试样台适配确定。

进一步地，所述顶盖设置于所述挡板的顶部，材质为陶瓷，隔热并用于对所述电极及热电偶进行密封、引入导线，所述顶盖设有导线接口，所述导线接口用于输出导线。

进一步地，所述加热系统设置于所述壳体的腔体内，用于对检测样品的加热；加热系统包括热电偶、加热基板及加热基座，加热基板上设有入射孔及透射孔，所述入射孔与所述入射窗口对应设置，所述透射孔与所述透射窗口对应设置。

进一步地，所述加热基板、电绝缘基座与所述壳体的壳壁之间设有空隙，便于填充保温材料及惰性气体。

进一步地，所述的加热基板及加热基座内设有加热电阻丝；所述加热基座设有三条凹槽，每条凹槽内设有滑动滚珠，用以固定和调整检测样品位置；所述加热基座的底面设有旋转升降底座，该底座用以调整检测样品位置以进行检测；所述旋转升降底座的底面设有热绝缘底座。

进一步地，所述充放电系统由电极和导线构成；两个电极用于对所述检测样品提供电化学反应；所述电极一端分别穿过挡板上所对应的通孔，深入到壳体内的腔体中，连接检测样品；另一端通过导线连接电化学工作站。

进一步地，所述壳体的壳壁内设置有冷却介质循环腔，所述冷却系统循环装置通过设置于壳体炉体上的冷却介质进口和冷却介质出口与冷却介质循环腔导通连接，形成冷却介质回路，用于保证壳体的外壳、入射窗口与透射窗口处于安全的工作温度下。

进一步地，所述电化学工作站测试分析系统用于实现对检测样品的电化学控制；所述真空泵通过设置于壳体上的抽气口与所述壳体连接，与惰性气体供气装置共同控制壳体内的气体分压。

与现有的技术相比，本发明的上述技术方案的有益效果如下：

传统的液态金属电池装置，通常情况下只能进行常规的物相及形貌分析，不但需要拆卸电池、破坏电池结构、影响其运行寿命，而且增加人力、物力及时间成本。即使能够进行简单的超声无损检测，也无法获得材料内部的三维结构及形貌，检测分辨率较低。本发明提供的一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，在进行检测分析时，检测样品放置在壳体的腔体内，并且通过加热系统对其进行加热。待检测样品的正负极及电解质变成液态后，利用电化学工作站通过挡板上的电极系统对检测样品施加电化学信号。射线、超声波、电磁波从入射窗口、入射孔进入，通过检测样品后从透射孔、透射窗口穿出，外接探测器收集信号以对其进行后续分析。本装置不仅能够实现高温下液态金属电池的电化学反应，而且可以通过无损检测方式检测液态金属电池电化学过程中关键部件的显微结构及形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。

附图说明

图1为本发明的一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置的外观结构示意图；

图2为本发明的一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置的壳体及顶盖的剖视图；

图3为本发明的一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置的壳体腔体内结构示意图；

其中：1-壳体；2-底盘；3-挡板；4-电极；5-热电偶；6-入射窗口；7-透射窗口；8-进气口；9-出气口；10-冷却介质进口；11-冷却介质出口；12-顶盖；13-导线；14-冷却介质循环腔；15-加热基板；16-检测样品；17-热绝缘底座；18-旋转升降底座；19-电绝缘基座；20-固定基座。

图4为本发明采用实施例1的一种适用于液态金属电池高温原位显微CT无损检测的装置的工作原理及各实验装置连接示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的液态金属电池只能进行常规的物相、形貌分析及简单的超声检测，具有破坏性、成本高、分辨率低等缺点。本发明提供的一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，优点在于能够利用电化学反应控制液态金属电池正负极及电解质始终处于动态变化中，同时采用各种无损检测技术对检测样品进行测试，可以实现对高温液态金属电池工作状态电化学反应过程中正负极及集流体、电解质、密封绝缘材料等关键部分的原位监测，对于高温液态金属电池中电化学反应的机理、充放电产物结构的确定及关键部件的腐蚀过程具有重要意义。

本实施例中的一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置的外观结构示意图如图1所示，壳体及顶盖的剖视图如图2所示，壳体腔体内结构示意图如图3所示。如图所示，一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，包括：

壳体(1)，其内部为一腔体，所述壳体的顶部开设有开口，壳壁上开设有入射窗口(6)及透射窗口(7)，二者同轴共线设置；为了提高检测分辨率，减小射线源与测试样品之间的距离，入射窗口(6)与壳壁平齐，而透射窗口(7)突出壳壁1-2cm，便于调整、校准射线位置；其底部为固定基座(20)，而底盘(2)固定连接在固定基座上，可采用焊接等连接方式，底盘尺寸形状可根据无损检测试样台适配确定。

检测样品(16)，其设置于所述壳体的腔体内；

挡板(3)，其设置于所述壳体的开口处，其材质可为金属，有通孔用于对所述检测样品引入电极(4)及热电偶(5)，起到保护及固定作用；挡板下部与壳体外壳螺纹连接，便于更换检测样品；

加热系统，包括热电偶(5)、加热基板(15)及加热基座(19)，其设置于所述壳体的腔体内，用于对检测样品(16)的加热，所述加热基板上设有入射孔及透射孔，所述入射孔与所述入射窗口对应设置；所述透射孔与所述透射窗口对应设置；

充放电系统用于对所述检测样品提供电化学反应，其包括两个电极(4)，所述电极分别穿过挡板上所对应的通孔，深入到壳体内的腔体中，连接检测样品；两个所述电极通过导线(13)连接电化学工作站。

顶盖(12)，所述顶盖设置于所述挡板的顶部，其材质可为陶瓷，隔热并用于对所述电极及热电偶进行密封、引入导线，所述顶盖设有导线接口，所述导线接口用于输出导线。

本实施例中，适用于液态金属电池高温原位显微CT无损检测的装置的优点在于不仅能够实现高温下的电化学反应，而且可以通过显微CT无损检测液态金属电池电化学过程中关键部件的显微结构及形貌，分析液态金属电极、熔盐电解质对电池关键部件的腐蚀过程。

本实施例在上述实施例的基础上，所述加热系统包括热电偶(5)、加热基板(15)及加热基座(19)，其设置于所述壳体的腔体内，用于对检测样品的加热，所述加热基板上设有入射孔及透射孔，所述入射孔与所述入射窗口对应设置，为直径1-5cm圆孔；所述透射孔与所述透射窗口对应设置，为直径1-5cm圆孔。入射孔与透射孔的直径大小保证有足够大的探测角，具体孔的形状可为圆形、方形、三角形、菱形等等，不做限定。所述的加热基板及加热基座内设有加热电阻丝；所述加热基座设有三条凹槽，每条凹槽内设有滑动滚珠，用以固定检测样品及调整其位置；所述加热基座的底面设有旋转升降底座(18)，该底座用以调整检测样品位置以进行检测；所述旋转升降底座的底面设有热绝缘底座(17)，其材质可为陶瓷。

本实施例在上述实施例的基础上，所述加热基板(15)、加热基座(19)与所述壳体(1)的壳壁之间设有空隙，如此设计是为了便于填充保温材料，减小加热基板、加热基座和壳体壳壁之间的热传导，同时引入惰性气体保护检测样品及壳体。

图4显示了本发明所述的一种适用于液态金属电池高温原位显微CT无损检测的装置的工作原理及各实验装置连接示意图。本实施例的液态金属电池高温原位显微CT无损检测的装置置于载物台上，并分别与温控装置、惰性气体供气装置、电化学工作站测试分析系统、冷却系统循环装置及真空泵相连接。

温控装置，其与所述加热系统连接，所述温控装置用于控制壳体内的温度，采用闭环控制方式控制加热系统对炉内进行加热，将温度控制在室温至1000℃的工作温度内。

惰性气体供气装置，用于给检测样品(16)提供惰性气体保护，使得样品及加热系统不受氧气与水蒸气的影响，其通过设置于壳体上的进气口与所述壳体连接，所述惰性气体包括高纯氩气、氮气或氦气等。

电化学工作站测试分析系统，用于实现对检测样品的电化学控制。

冷却系统循环装置，所述壳体(1)的壳壁内设置有冷却介质循环腔(14)，另外还设置有冷却介质进口(10)及冷却介质出口(11)，冷却系统循环装置通过设置于壳体壳壁上的冷却介质进口和冷却介质出口与冷却介质循环腔导通连接，形成冷却介质回路，从而保证壳体壳壁、入射窗口及透射窗口始终处于安全的工作温度下，避免入射窗口及透射窗口的玻璃、薄膜等损坏；进一步地，冷却介质可以选用水、油等。

真空泵，其通过设置于壳体(1)上的抽气口与所述壳体连接，与惰性气体供气装置共同控制壳体内的气体分压。

本实施例中，在进行实验时，首先在手套箱中完成检测样品(16)的制备，然后将其转入壳体(1)后，关闭进气口(8)，通过出气口(9)利用真空泵将壳体腔体抽至低压。然后关闭出气口(9)，打开进气口(8)充入惰性气体，再关闭进气口(8)，打开出气口(9)抽气，如此反复几次即可实现对原有气体的置换，最终关闭真空泵，打开进气口(8)与出气口(9)，使得壳体(1)及顶盖(12)始终处于流动惰性气体的保护中。在此之后，升温至液态金属电池工作温度，通过挡板(3)上的电极(4)即可对体系施加电化学信号。入射的射线经过入射窗口(6)、入射孔射入壳体(1)的内腔，透过检测样品(16)后，从透射孔、透射窗口(7)穿出，外接的显微CT信号探测器收集信号传递到CT测试分析系统以进行后续分析。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于装置由壳体(1)、温控装置、电化学工作站测试分析系统、惰性气体供气装置、真空泵、无损检测分析系统组成；壳体内设有加热系统、冷却系统循环装置、充放电系统；壳体(1)内设有底盘(2)、挡板(3)、入射窗口(6)、透射窗口(7)、进气口(8)、出气口(9)、顶盖(12)、检测样品(16)、固定底座(20)；壳体(1)内部为一腔体，检测样品(16)设置于所述壳体的腔体内；壳体的顶部开设有开口；挡板(3)设置于所述壳体的开口处，中间设有通孔，挡板下部与壳体螺纹连接；壳体底部为固定基座(20)，底盘(2)固定连接在固定基座上；壳壁上开设有入射窗口(6)及透射窗口(7)，二者同轴共线设置。

2.如权利要求1所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述入射窗口(6)与壳壁平齐，而透射窗口(7)突出壳壁一定距离，便于调整、校准射线位置。

3.如权利要求1所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述底盘(2)固定连接在固定基座上，采用焊接连接方式，底盘尺寸形状可根据无损检测试样台适配确定。

4.如权利要求1所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述顶盖(12)设置于所述挡板(3)的顶部，材质为陶瓷，隔热并用于对所述电极及热电偶进行密封、引入导线，所述顶盖设有导线接口，所述导线接口用于输出导线。

5.如权利要求1所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述加热系统设置于所述壳体的腔体内，用于对检测样品(16)的加热；加热系统包括热电偶(5)、加热基板(15)及加热基座(19)，加热基板上设有入射孔及透射孔，所述入射孔与所述入射窗口(6)对应设置，所述透射孔与所述透射窗口对应设置。

6.如权利要求5所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述加热基板(15)、电绝缘基座(19)与所述壳体(1)的壳壁之间设有空隙，便于填充保温材料及惰性气体。

7.如权利要求5或6所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述的加热基板及加热基座内设有加热电阻丝；所述加热基座设有三条凹槽，每条凹槽内设有滑动滚珠，用以固定和调整检测样品位置；所述加热基座的底面设有旋转升降底座(18)，该底座用以调整检测样品位置以进行检测；所述旋转升降底座的底面设有热绝缘底座(17)。

8.如权利要求1所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述充放电系统由电极(4)和导线(13)构成；两个电极(4)用于对所述检测样品提供电化学反应；所述电极一端分别穿过挡板上所对应的通孔，深入到壳体内的腔体中，连接检测样品；另一端通过导线(13)连接电化学工作站。

9.如权利要求1所述适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于所述壳体(1)的壳壁内设置有冷却介质循环腔(14)，所述冷却系统循环装置通过设置于壳体炉体上的冷却介质进口(10)和冷却介质出口(11)与冷却介质循环腔(14)导通连接，形成冷却介质回路，用于保证壳体的外壳、入射窗口与透射窗口处于安全的工作温度下。

10.根据权利要求1所述的适用于液态金属电池高温原位无损检测的装置，其特征在于，所述电化学工作站测试分析系统用于实现对检测样品的电化学控制；所述真空泵通过设置于壳体(1)上的抽气口与所述壳体连接，与惰性气体供气装置共同控制壳体内的气体分压。

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