CN113140820A - 一种精确测量用三电极扣式电池装置及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精确测量用三电极扣式电池装置及应用，装置包括负极组件和正极组件，负极组件具有负极盖以及位于负极盖朝向正极组件一侧的负极片，正极组件具有正极壳以及位于正极壳朝向负极组件一侧的正极片，还包括参比电极组件，参比电极组件设置于负极片和正极片之间，具有多个以负极片和正极片重叠部分的中心为圆心呈旋转对称式分布的参比电极构成。与现有技术相比，本发明的参比电极以对称方式布置，可以提高测试结果的重复性，使结果更加可靠；且以标准化的扣式电池为基础改进，具有操作简单，改装方便的优点；可用于锂离子电池、超级电容器和锂离子电容器等不同化学电源器件的测试与分析。

Description

一种精确测量用三电极扣式电池装置及应用

技术领域

本发明属于电化学能量储存与转化领域，涉及一种精确测量用三电极扣式电池装置及应用，尤其是涉及一种结构包括正极、负极和参比电极的三电极扣式电池测试装置及应用。

背景技术

锂离子电池(LIB)作为一种二次电池，具有比能量大、安全性好、自放电率低、无污染等优点，目前被广泛应用在各个领域。尤其是随着新能源汽车的快速发展，锂离子电池愈发受到关注，人们对锂离子电池性能的要求也在逐渐升高。

锂离子电池有着相对高的能量密度但是功率密度和循环寿命有限。超级电容器(EC)拥有高功率密度和更好的循环寿命，然而比能量远低于LIB。而将电池和电容结合起来的锂离子电容器(LICs)可以兼具较高的功率密度和能量密度，以及较高的循环寿命，在新能源汽车领域有着很好的发展空间。

电化学测试方法是对锂离子电池性能分析的重要手段，例如稳态极化曲线、循环伏安、交流阻抗法等。然而对于一般的电池来说，直接进行的测试虽然简单方便，但电池身为两电极体系，直接测试仅能得到电池整体的性能和状态，无法得到单独的正极或者负极电化学变化的相关信息，因此需要三电极体系来分别研究正负电极各自单独的电性能。

三电极体系通过引入参比电极这一种具有稳定电极电势的电极作为参照的标准，使得其与原有正负极分别构成新的回路，用于分别进行正负极电性能的测量。通过三电极两回路的体系，可以分别对电池正负极的电性能进行分析和评判，从而有助于化学电源器件的研发和改进。

然而目前常见的三电极模型或者在售的三电极测试装置往往不能兼顾准确性和经济性。由于每次进行三电极测试时，参比电极与正负极的相对位置会有微小的变动，进而造成测试结果的随机误差。在各种三电极装置引入参比电极的过程中，或是保证结果准确性但是结构复杂，或是结构简单但是测试结果的准确性不足。

现有技术文献：

(1)中国专利CNCN209878968U公开了一种三级电池测量装置。

(2)中国专利CN202025833U公开了一种三电极扣式电池。

(3)中国专利CN203607508U公开了三电极扣式电池。

发明内容

本发明申请人对现有技术文献进行研究发现：

中国专利CNCN209878968U公开的一种三级电池测量装置，为了保证结果的准确性，其外部结构较一般的扣式电池而言很复杂，在测试前的安装过程较繁琐，造价也较为昂贵。

中国专利CN202025833U公开的一种三电极扣式电池，选择在标准电池壳体上开孔添加通馈棒，内部连接着固定的参比电极的做法来引出参比电极，对于扣式电池的小体积而言，改装难度高，改装成本相对较大，而且每次测试时参比电极与正负极的相对位置有细微变化，会导致测试结果不准确。

中国专利CN203607508U公开的三电极扣式电池，在电池壳体的一侧开孔，来引出环状参比电极，相比于CN202025833U改装方法简单，但是电池的壳、盖均被打孔，且与参比电极引出端之间仅有胶水密封，使得整个体系的气密性不是很好，影响测试结果的准确性。

总结来看，目前的三电极测试装置或是结果准确性好，但是制造成本较高，制造和安装过程繁琐，不利于大批量的制造和使用；或是制造简单方便，但是结果的准确性不能得到保证，重复性不好。也就是说，当前的三电极测试装置无法兼具经济性和准确性。需要一种三电极测试装置制作方法，在能够提高测试准确性的基础上，又不需要较高的制造成本，以方便化学电源器件的测试和分析。

本发明的目的就是为了提供一种精确测量用三电极扣式电池装置及应用。以两电极扣式电池为基础，通过标准件结构的改进，实现参比电极位置的对称布置，在提高三电极测试装置的准确性的同时，维持较低的生产成本，保证其经济性。

一方面，为了提高测试装置的准确性，要尽力降低甚至消除测量结果中的随机误差，例如每次安装装置时可能产生的参比电极与正负极片相对位置的微小变动所导致的测量误差。本装置采取补偿和抵消的思路，通过旋转对称式布置的参比电极来提高测试的准确性；另一方面，为了降低测试装置的成本，以已有的两电极装置为基础进行改进。本装置即采用标准化的扣式电池为基础，将漆包线一端裸露铜丝表面附加金属锂来作为参比电极，对扣式电池结构不做大的改变。本装置可以以现有的标准化扣式电池生产线为基础，稍加工序制得，制备成本低，适合大批量生产。

上述技术方案中，优选对于参比电极这一重要部件的要求如以下条件中的任一种或多种：

(1)多根参比电极以负极片和正极片重叠部分的中心为圆心，呈圆周均匀布置。

(2)参比电极的直径小于负极片、正极片、隔膜的厚度。

(3)参比电极一端为裸露铜丝，完全置于负极片与正极片之间的中心位置，另一端为漆包线，漆包线一部分位于负极片与正极片之间，另一部分位于负极片和正极片之外，且延伸至负极盖和正极壳之外。

(4)所述参比电极的裸露铜丝端进行附锂处理。参比电极的附锂端位于正负极片中心，优选占正极片总面积1/3的面积范围内。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供一种精确测量用三电极扣式电池装置，包括负极组件和正极组件，所述的负极组件具有负极盖以及位于负极盖朝向正极组件一侧的负极片，所述的正极组件具有正极壳以及位于正极壳朝向负极组件一侧的正极片，还包括参比电极组件，所述的参比电极组件设置于负极片和正极片之间，具有多个以负极片和正极片重叠部分的中心为圆心呈旋转对称式分布的参比电极构成。

作为本发明优选的实施方式：

当参比电极具有三个时，相邻两个参比电极呈120°角分布；

当参比电极具有四个时，相邻两个参比电极呈90°角分布。

作为本发明优选的实施方式，所述的参比电极由漆包线和连接于漆包线一端的裸露铜丝组成；所述的裸露铜丝端位于负极片和正极片重叠部分的中心位置处；所述的漆包线一部分位于负极片和正极片之间，另一部分位于负极片和正极片之外，且延伸至负极盖和正极壳之外。

作为本发明优选的实施方式，所述的参比电极在裸露铜丝端对其表面附加金属锂。进一步优选在参比电极裸露铜丝端外部包覆一层锂箔。

作为本发明优选的实施方式，所述的漆包线在负极盖和正极壳的扣合处弯折呈“U”型。一来可以防止负极盖和正极壳扣合时将参比电极折断，二来可以辅助起到定位作用，避免参比电极移位。

作为本发明优选的实施方式，所述的参比电极组件与负极片之间设有第一隔膜，所述的参比电极组件与正极片之间设有第二隔膜。

作为本发明优选的实施方式，所述的负极盖与负极片之间设有弹片和负极垫片。

作为本发明优选的实施方式，所述的正极壳与正极片之间设有正极垫片。

作为本发明优选的实施方式，所述的负极盖、弹片、负极垫片、正极垫片和正极壳采用标准化的扣式电池组件。进一步使用标准化的CR2032扣式电池的零件，其均为304不锈钢材料制成。

本发明第二方面提供一种精确测量用三电极扣式电池装置的应用：

当负极片和正极片均为电池性材料时，该装置用于锂离子电池的三电极测试；

当负极片和正极片均为电容性材料时，该装置用于超级电容器的三电极测试；

当负极片为电池性材料，正极片为电容性材料时，该装置用于锂离子电容器的三电极测试。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明专利的有益效果为：

1.本发明专利以两电极扣式电池为基础进行改进，以一端附锂，另一端为漆包线的铜丝作为参比电极，而并未对电池壳体进行任何改动，可以在现有电池标准件的基础上简单改装，适合大批量制造和使用，便于研发过程中的测试；

2.本发明专利通过扣式电池装置中多根参比电极对称式布置，以取结果均值的方式，减小了每次测试时参比电极与正负极相对位置的微小变化导致的误差，使得各次测试结果之间有一定的可对比性，便于数据的分析，实验重复性和准确性得到提高。

附图说明

图1为本发明实施例1的三电极扣式电池分解示意图。

图2为本发明实施例1的三电极扣式电池的示意图。

图中：1为负极盖；2为弹片，3为负极垫片，4为负极片，5为第一隔膜，6为参比电极，7为裸露铜丝，8为漆包线，9为第二隔膜，10为正极片，11为正极垫片，12为正极壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种精确测量用三电极扣式电池装置，如图1和图2所示，包括负极组件和正极组件，负极组件具有负极盖1以及位于负极盖1朝向正极组件一侧的负极片4，正极组件具有正极壳12以及位于正极壳12朝向负极组件一侧的正极片10，还包括参比电极组件，参比电极组件设置于负极片4和正极片10之间，具有多个以负极片4和正极片10重叠部分的中心为圆心呈旋转对称式分布的参比电极6构成。

优选当参比电极6具有三个时，相邻两个参比电极6呈120°角分布；当参比电极6具有四个时，相邻两个参比电极6呈90°角分布，参比电极6也可以是其他数量，优选三个或四个。如图1所示，四个参比电极以负极片4和正极片10重叠部分的中心为圆心，呈圆周均匀分布，相邻两个参比电极呈90°角布置。

优选参比电极6由漆包线8和连接于漆包线8一端的裸露铜丝7组成；裸露铜丝7端完全置于负极片4和正极片10重叠部分的中心位置处；进一步优选参比电极6在裸露铜丝7端对其表面附加金属锂。更进一步优选在参比电极6的裸露铜丝7端外部包覆一层锂箔来实现。漆包线8一部分位于负极片4和正极片10之间，另一部分位于负极片4和正极片10之外，且延伸至负极盖1和正极壳12之外(即电池壳体之外)。进一步优选漆包线8在负极盖1和正极壳12的扣合处弯折呈“U”型，如图1所示。一来可以防止负极盖和正极壳扣合时将参比电极折断，二来可以辅助起到定位作用，避免参比电极移位。

本实施例中，优选参比电极组件与负极片4之间设有第一隔膜5，参比电极组件与正极片10之间设有第二隔膜9。优选负极盖1与负极片4之间设有弹片2和负极垫片3；优选正极壳12与正极片10之间设有正极垫片11；起到压紧和支撑的作用。优选负极盖1、弹片2、负极垫片3、正极垫片11和正极壳12采用标准化的扣式电池组件。进一步使用标准化的CR2032扣式电池的零件，其均为304不锈钢材料制成。

正负极片可以采用两电极体系中的锂离子电池、超级电容器或锂离子电容器对应的极片材料，即本发明可以用于锂离子电池、超级电容器或锂离子电容器的三电极测试。当负极片4和正极片10均为电池性材料时，该装置用于锂离子电池的三电极测试；当负极片4和正极片10均为电容性材料时，该装置用于超级电容器的三电极测试；当负极片4为电池性材料，正极片10为电容性材料时，该装置用于锂离子电容器的三电极测试。

上述技术方案中，优选对于参比电极这一重要部件的要求如以下条件：

(1)参比电极以负极片和正极片重叠部分的中心为圆心，呈圆周均匀布置。

(2)参比电极的直径小于负极片、正极片、隔膜的厚度。

(3)参比电极一端为裸露铜丝，完全置于负极片与正极片之间的中心位置，另一端为漆包线，漆包线一部分位于负极片与正极片之间，另一部分位于负极片和正极片之外，且延伸至负极盖和正极壳之外。

(4)所述参比电极的裸露铜丝端进行附锂处理。参比电极的附锂端位于正负极片中心，优选占正极片总面积1/3的面积范围内。

本技术方案通过在正负极之间对称布置附锂铜丝作为参比电极，解决了三电极测试装置中追求准确性则不能满足经济性的问题，主要包括两个方面：一是解决了三电极测试的准确性问题：由于每一次测试中，参比电极对于正负极片的相对位置都可能有微小变化，导致三电极测试结果可重复性不足。故本方案采用参比电极周向对称布置，将测试结果的偏差尽可能减小乃至消除，提高测试的准确性。二是解决了目前三电极测试装置中改装工艺较繁琐的问题。本技术方案选择用铜丝沿电池壳和盖的缝隙引出，并未对电池其他部分做出改动，以现有扣式电池装置改装简易方便，适合大批量制造和使用。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种精确测量用三电极扣式电池装置，包括负极组件和正极组件，所述的负极组件具有负极盖(1)以及位于负极盖(1)朝向正极组件一侧的负极片(4)，所述的正极组件具有正极壳(12)以及位于正极壳(12)朝向负极组件一侧的正极片(10)，其特征在于，还包括参比电极组件，所述的参比电极组件设置于负极片(4)和正极片(10)之间，具有多个以负极片(4)和正极片(10)重叠部分的中心为圆心呈旋转对称式分布的参比电极(6)构成。

2.根据权利要求1所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于：

当参比电极(6)具有三个时，相邻两个参比电极(6)呈120°角分布；

当参比电极(6)具有四个时，相邻两个参比电极(6)呈90°角分布。

3.根据权利要求1或2所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于，所述的参比电极(6)由漆包线(8)和连接于漆包线(8)一端的裸露铜丝(7)组成；所述的裸露铜丝(7)端位于负极片(4)和正极片(10)重叠部分的中心位置处；所述的漆包线(8)一部分位于负极片(4)和正极片(10)之间，另一部分位于负极片(4)和正极片(10)之外，且延伸至负极盖(1)和正极壳(12)之外。

4.根据权利要求3所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于，所述的参比电极(6)在裸露铜丝(7)端对其表面附加金属锂。

5.根据权利要求3所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于，所述的漆包线(8)在负极盖(1)和正极壳(12)的扣合处弯折呈“U”型。

6.根据权利要求1所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于，所述的参比电极组件与负极片(4)之间设有第一隔膜(5)，所述的参比电极组件与正极片(10)之间设有第二隔膜(9)。

7.根据权利要求1所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于，所述的负极盖(1)与负极片(4)之间设有弹片(2)和负极垫片(3)。

8.根据权利要求7所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于，所述的正极壳(12)与正极片(10)之间设有正极垫片(11)。

9.根据权利要求8所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置，其特征在于，所述的负极盖(1)、弹片(2)、负极垫片(3)、正极垫片(11)和正极壳(12)采用标准化的扣式电池组件。

10.如权利要求1所述的一种精确测量用三电极扣式电池装置的应用，其特征在于：

当负极片(4)和正极片(10)均为电池性材料时，该装置用于锂离子电池的三电极测试；

当负极片(4)和正极片(10)均为电容性材料时，该装置用于超级电容器的三电极测试；

当负极片(4)为电池性材料，正极片(10)为电容性材料时，该装置用于锂离子电容器的三电极测试。

Images