CN113390947A - 一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电池气体在线检测技术领域，公开了一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，包括流量计、电池组、联合三通接头；联合三通接头包括三通套管、密封头和导流管；三通套管包括第一套管、第二套管和第三套管，第一套管和第二套管上下相连，以形成电池仓，第三套管与电池仓的一侧连接，电池组位于电池仓中，密封头与第二套管连接，导流管的一端与第一套管连接，载气瓶通过流量计与第三套管连接，导流管的另一端与瞬态质谱仪连接。本发明还公开了一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测方法。其有益效果在于：能够实时监测离子电池使用过程中的产气情况，可以定性、定量的对气体成分进行实时在线分析和监控电池内部气压变化。

Description

一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置和方法

技术领域

本发明涉及电池气体在线检测技术领域，具体涉及一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置和方法。

背景技术

电池是指一种盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间，能将化学能转化成电能的装置。随着科学技术的发展，电池在手机、汽车等领域获得了越来越广泛的应用，与人类日常生活息息相关。然而，在电池的充放电反应中有可能会有副反应的存在并且产生气体，随着时间的推移气体的量逐渐堆积，会严重损害电池的使用寿命，甚至可能会造成安全问题。

电池产生气体的主要来源包括电极材料本身释放氧气以及有机电解液的分解等等，这些气体作为电极反应的产物，可以用来反向推测电极反应的过程，同时，鉴别这些气体出气相产物，并分析催化反应的过程，则有利于准确鉴别在电势循坏下电极材料的结构变化和电解液的稳定性。

瞬态质谱仪或残余气体分析仪，可以实现快速的气体分析。因此，开发一种用于实时测量电池内部随充放电过程所产生痕量气体的原位测试装置，实现实时监测离子电池在某个电压区间或某个连续充放电过程中的产气现象，对于研究电池中反应所产生的气体具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置。能够对二次离子电池在充放电过程中生产的气体进行检测。

本发明的另一目的在于提供一种操作方便的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，包括载气瓶、流量计、电池组、联合三通接头和瞬态质谱仪；所述联合三通接头包括三通套管、密封头和导流管；所述三通套管包括第一套管、第二套管和第三套管，所述第一套管和第二套管上下相连，以形成电池仓，所述第三套管与电池仓的一侧连接，所述电池组位于电池仓中，并与第三套管相对，所述密封头与第二套管连接，以将电池仓的下端密封，所述导流管的一端与第一套管连接，所述载气瓶通过流量计与第三套管连接，所述导流管的另一端与瞬态质谱仪连接。

进一步地，还包括三通阀和压力传感器；所述三通阀的第一接口与导流管的另一端连接，所述三通阀的第二接口与压力传感器连接，所述三通阀的第三接口与瞬态质谱仪连接。

进一步地，还包括第一直通阀；所述流量计与第三套管之间安装有第一直通阀。

进一步地，还包括第二直通阀；所述三通阀的第三接口与瞬态质谱仪之间安装有第二直通阀。

进一步地，所述电池组包括从下到上依次堆叠的对电极、隔膜、电极材料、多孔集流体和弹簧；所述对电极与密封头接触，所述弹簧与导流管接触。

进一步地，所述密封头和导流管均采用导电金属材料制成。

进一步地，所述导流管包括相连接的大径段和小径段；所述大径段和小径段内均开有内径相等的导流通道，所述大径段与电池仓第一套管连接，所述小径段与瞬态质谱仪连接。

进一步地，所述第一套管、第二套管和第三套管采用耐腐蚀绝缘塑料材料制成。

进一步地，所述第一套管、第二套管和第三套管均采用导电金属材料制成，所述第一套管、第二套管和第三套管的内侧均铺设绝缘薄膜。

一种基于上述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置的检测方法，包括如下步骤：

S101、将流量计、电池组、联合三通接头和瞬态质谱仪依次组装连接；

S102、将载气瓶通过载气管与整个装置连接，打开载气瓶，通入载气，通过流量计调节载气气体流量，持续通气十五分钟左右，将装置内部变为单一气体氛围，插入瞬态质谱仪进样管，使瞬态质谱仪通过质谱进样管与整个装置相连接，先用瞬态质谱仪测试背景信号，如背景信号中为无其他气体，则证明装置内部已为单一气体氛围，此时停止向装置中通气，用瞬态质谱仪持续检测装置中气体，如装置中气压不断降低，说明装置气密性良好；

S103、使电池组发生反应，通过检测在瞬态质谱仪中信号、以及压力传感器的压力变化来判断电池组内反应所生成气体的组分。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

1、本发明的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置整体结构简单，操作方便，通过设置联合三通接头，能够容纳电池组，还可与载气瓶、瞬态质谱仪连通，能够实现监测离子电池在某个电压区间或某个连续充放电过程中的产气现象。

2、本发明中还通过增设三通阀，增加压力传感器，瞬态质谱仪和压力传感器相结合，可以定性、定量的对电池内部气体成分进行实时在线分析，同时监控电池内部气压变化，达到定性定量的检测效果。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例1中的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置的结构示意图；

图2示出了图1的工作原理图

图3示出了根据本发明实施例1中的联合三通接头的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例1中的电池组的结构示意图；

图5示出了根据本发明实施例2中的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置的结构示意图；

图6示出了图5的工作原理图；

图中，1、载气瓶；2、流量计；3、电池组；4、联合三通接头；5、瞬态质谱仪；6、密封头；7、导流管；8、第一套管；9、第二套管；10、第三套管；11、三通阀；12、压力传感器；13、第一直通阀；14、第二直通阀；15、对电极；16、隔膜；17、电极材料；18、多孔集流体；19、弹簧；20、导流通道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1-图3所示的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，包括载气瓶1、流量计2、电池组3、联合三通接头4和瞬态质谱仪5；所述联合三通接头4包括三通套管、密封头6和导流管7；所述三通套管包括第一套管8、第二套管9和第三套管10，所述第一套管8和第二套管9上下相连，以形成电池仓，所述第三套管10与电池仓的一侧连接，所述电池组3位于电池仓中，并与第三套管10相对，所述密封头6与第二套管9连接，以将电池仓的下端密封，所述导流管7的一端与第一套管8连接，所述载气瓶1通过流量计2与第三套管10连接，所述导流管7的另一端与瞬态质谱仪5连接。电池组3安装在联合三通接头4中，联合三通接头4的第二套管9用密封头6堵住，剩余第三套管10为进气口，第一套管8为出气口，经电池组流出的气体进入瞬态质谱仪5中进行分析。电池组的气体出口直接与瞬态质谱仪连通，气体检测响应时间小于1秒(在百毫秒级)。载气瓶1中的气体为单一氮气、氩气或氦气。

还包括第一直通阀13；所述流量计2与第三套管10之间安装有第一直通阀13。第一直通阀13和流量计2相配合，能够控制气体是否进入并且能够测得气体流量。

所述电池组3包括从下到上依次堆叠的对电极15、隔膜16、电极材料17、多孔集流体18和弹簧19；所述对电极15与密封头6接触，所述弹簧19与导流管7接触。隔膜带有电解液。电池组内部可为锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、锌离子电池、镁离子电池等，替换对应的隔膜材料即可。通过布置弹簧19能够更好地固定隔膜材料，确保试验精确度。

所述密封头6和导流管7均采用导电金属材料制成，例如：铜、铝不锈钢等。所述导流管7内径为1/16英寸，试验时，密封头6连接外接电源的负极，导流管7连接外接电源的正极，从而保证电池组内有电荷流入，实现电池的放电测试。

所述导流管7包括相连接的大径段和小径段；所述大径段和小径段内均开有内径相等的导流通道20，所述大径段与电池仓的第一套管8连接，所述小径段经三通阀与瞬态质谱仪5连接。通过设置大径段和小径段，便于与第一套管8、瞬态质谱仪5连接。导流通道20内径均一，保证气流稳定。

所述第一套管8、第二套管9和第三套管10采用耐腐蚀绝缘塑料材料制成，例如：尼龙、PFA、PTFE或PEEK等材料，用以防止正负极短路。

所述第一套管8、第二套管9和第三套管10也可采用导电金属材料制成，如不锈钢材质，当其由导电材料制成时，在内侧均铺设绝缘薄膜，防止电池短路。

本装置能够实时监测离子电池使用过程中的产气情况，可以定性、定量的对气体成分进行实时在线分析和监控电池内部气压变化。

一种基于上述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置的检测方法，包括如下步骤：

S101、将流量计、电池组、联合三通接头和瞬态质谱仪依次组装连接；

S102、将载气瓶通过载气管与整个装置连接，打开载气瓶，通入载气，通过流量计调节载气气体流量，持续通气十五分钟左右，将装置内部变为单一气体氛围，插入瞬态质谱仪进样管，使瞬态质谱仪通过质谱进样管与整个装置相连接，先用瞬态质谱仪测试背景信号，如背景信号中为无其他气体，则证明装置内部已为单一气体氛围，此时停止向装置中通气，用瞬态质谱仪持续检测装置中气体，如装置中气压不断降低，说明装置气密性良好；

S103、使电池组发生反应，通过检测在瞬态质谱仪中信号、以及压力传感器的压力变化来判断电池组内反应所生成气体的组分。

实施例2：

本实施例除以下技术特征外同实施例1：

还包括三通阀11、压力传感器12和第二直通阀14；所述三通阀11的第一接口与导流管7的另一端连接，所述三通阀11的第二接口与压力传感器12连接，所述三通阀11的第三接口与瞬态质谱仪5连接，所述三通阀11的第三接口与瞬态质谱仪5之间安装有第二直通阀14。

设置三通阀11以便通入载气进行气体检测，三通阀11的第一接口与离子电池装置相连接，第二接口与压力传感器12相连接以检测从离子电池中流出气体的气压，第三接口与瞬态质谱仪5相连接对从离子电池中流出的气体进行分析。

采用瞬态质谱仪5和压力传感器12对电池组内部产生的气体进行成分分析和压力监测，达到定性定量的检测效果。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：包括载气瓶、流量计、电池组、联合三通接头和瞬态质谱仪；所述联合三通接头包括三通套管、密封头和导流管；所述三通套管包括第一套管、第二套管和第三套管，所述第一套管和第二套管上下相连，以形成电池仓，所述第三套管与电池仓的一侧连接，所述电池组位于电池仓中，并与第三套管相对，所述密封头与第二套管连接，以将电池仓的下端密封，所述导流管的一端与第一套管连接，所述载气瓶通过流量计与第三套管连接，所述导流管的另一端与瞬态质谱仪连接。

2.根据权利要求1所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：还包括三通阀和压力传感器；所述三通阀的第一接口与导流管的另一端连接，所述三通阀的第二接口与压力传感器连接，所述三通阀的第三接口与瞬态质谱仪连接。

3.根据权利要求1或2所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：还包括第一直通阀；所述流量计与第三套管之间安装有第一直通阀。

4.根据权利要求2所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：还包括第二直通阀；所述三通阀的第三接口与瞬态质谱仪之间安装有第二直通阀。

5.根据权利要求1所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：所述电池组包括从下到上依次堆叠的对电极、隔膜、电极材料、多孔集流体和弹簧；所述对电极与密封头接触，所述弹簧与导流管接触。

6.根据权利要求1所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：所述密封头和导流管均采用导电金属材料制成。

7.根据权利要求1所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：所述导流管包括相连接的大径段和小径段；所述大径段和小径段内均开有内径相等的导流通道，所述大径段与电池仓第一套管连接，所述小径段与瞬态质谱仪连接。

8.根据权利要求1所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：所述第一套管、第二套管和第三套管采用耐腐蚀绝缘塑料材料制成。

9.根据权利要求1所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置，其特征在于：所述第一套管、第二套管和第三套管均采用导电金属材料制成，所述第一套管、第二套管和第三套管的内侧均铺设绝缘薄膜。

10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的与瞬态质谱仪联用的多电池体系气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S101、将流量计、电池组、联合三通接头和瞬态质谱仪依次组装连接；

S102、将载气瓶通过载气管与整个装置连接，打开载气瓶，通入载气，通过流量计调节载气气体流量，持续通气十五分钟左右，将装置内部变为单一气体氛围，插入瞬态质谱仪进样管，使瞬态质谱仪通过质谱进样管与整个装置相连接，先用瞬态质谱仪测试背景信号，如背景信号中为无其他气体，则证明装置内部已为单一气体氛围，此时停止向装置中通气，用瞬态质谱仪持续检测装置中气体，如装置中气压不断降低，说明装置气密性良好；

S103、使电池组发生反应，通过检测在瞬态质谱仪中信号、以及压力传感器的压力变化来判断电池组内反应所生成气体的组分。

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