CN113433192A - 一种全自动化电化学质谱分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全自动化电化学质谱分析系统，包括：电池测试盒，用于容纳被测电池；电池测试系统，用于控制被测电池充放电及测试被测电池的电化学参数；气体输送控制系统，连接电池测试盒、标准气体、真空泵和质谱分析模块；气体输送控制系统包括控制器和输送系统，控制器控制输送系统，用以接通或关断电池测试盒与质谱分析模块之间的连接，标准气体与质谱分析模块之间的连接，以及接入或断开真空泵与输送系统的连接；质谱分析模块包括：过滤器，用于对通过输送系统送入质谱分析仪的气体进行过滤；冷阱，用于对过滤后的气体进行冷却；质谱分析仪，用于对输送系统中的气体进行质谱分析检测；真空泵，用于将电化学质谱分析系统中的气体排出。

Description

一种全自动化电化学质谱分析系统

技术领域

本发明涉及电化学分析技术领域，尤其涉及一种全自动化电化学质谱分析系统。

背景技术

电池在我们日常生活中扮演着不可或缺的角色。电池的高效和安全工作与其电化学的可逆性息息相关。然而，在电池的实际工作过程中，电极/电解液界面会发生众多的不可逆反应，并释放可燃性气体，导致电池的容量衰退甚至严重的安全问题，如起火爆炸等。因此，理解电池电极/电解液界面反应机制，尤其是气体释放机制，对于高比能电池的理性设计至关重要。

在目前现有技术中，微分电化学质谱是少有的定性和定量气体消耗/产生的原位分析技术，被视为分析电池内部气体释放/消耗情况以及解析电池界面反应机制的强有力工具。

然而，现有微分电化学质谱技术仅存在于科研实验室的模型电池(容量极小)研究，并未普及到商用软包、硬壳和柱状电池(大容量电池)的直接分析应用中，这极大限制了电化学质谱在工业生产中的应用。此外，对于容量较大的商用软包或柱状电池来说，其充放电的时间周期较长，电化学质谱分析需要耗费极大的人力，这显然对工业生产成本是不利的。

因此，如何提供一种适用于商用电池的全自动化电化学质谱分析系统，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种全自动化电化学质谱分析系统，适用于商用软包、硬壳和柱状电池等的电化学质谱分析，系统结构简单，在不改变电池工作条件的前提下能够获得可靠准确的测试结果。

为此，本发明实施例提供了一种全自动化电化学质谱分析系统，包括：

电池测试盒，用于容纳被测电池；

电池测试系统，用于控制所述被测电池充放电及测试被测电池的电化学参数；

气体输送控制系统，连接所述电池测试盒、标准气体、真空泵和质谱分析模块；所述气体输送控制系统包括：控制器和输送系统，所述控制器控制所述输送系统，用以接通或关断所述电池测试盒与质谱分析模块之间的连接，所述标准气体与质谱分析模块之间的连接，以及接入或断开所述真空泵与所述输送系统的连接；

质谱分析模块，包括依次连接的过滤器、冷阱和质谱分析仪；所述过滤器用于对通过所述输送系统送入所述质谱分析仪的气体进行过滤；所述冷阱用于对所述过滤后的气体进行冷却；所述质谱分析仪用于对所述输送系统中的气体进行质谱分析检测；

真空泵，用于将所述电化学质谱分析系统中的气体排出。

优选的，所述输送系统包括：第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀第五电磁阀、第一三通连接器、第二三通连接器和气体定量环；

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀第五电磁阀均由所述控制器控制；

所述第一电磁阀的一端连接电池测试盒的出气口，另一端接第一三通连接器的第一接口；所述第三电磁阀的一端连接标准气体，另一端接第一三通连接器的第二接口；所述第一三通接口的第三接口连接所述第二电磁阀的一端；所述第二电磁阀的另一端接气体定量环的输入端；气体定量环的输出端接第二三通连接器的第一接口；第二三通连接器的第二接口接第五电磁阀连接到真空泵；第二三通连接器的第三接口接第四电磁阀的一端，第四电磁阀的另一端接过滤器的输入端口。

优选的，在所述电化学质谱分析系统进行质谱分析检测之前，所述控制器控制打开第一电磁阀、第二电磁阀、第五电磁阀以及第四电磁阀，开启真空泵抽取电池测试盒和输送系统中的残留气体；当质谱分析仪测得的数据达到设定初始范围时，控制器控制关闭第一电磁阀、第二电磁阀、第五电磁阀以及第四电磁阀，电化学质谱分析系统完成系统初始化。

优选的，在所述电化学质谱分析系统完成系统初始化之后，所述控制器控制打开第一电磁阀和第二电磁阀，被测电池产生的气体由电池测试盒内经第一电磁阀、第一三通连接器和第二电磁阀进入气体定量环；

控制器控制关闭第一电磁阀和第二电磁阀，再控制打开第四电磁阀预定时间，气体定量环中气体扩散进入质谱分析仪，用以对气体进行质谱分析检测。

进一步优选的，所述控制器在所述预定时间后控制关闭第四电磁阀并打开第五电磁阀，通过真空泵抽走气体定量环中的残留气体；最后关闭第五电磁阀。

优选的，在所述电化学质谱分析系统进行质谱分析检测之前，所述控制器控制关闭第一电磁阀和第三电磁阀，打开第二电磁阀、第五电磁阀以及第四电磁阀开启真空泵设定时长抽取输送系统中的残留气体；

在到达设定时长后，控制器控制关闭第五电磁阀和第四电磁阀，打开第三电磁阀，使得标准气体进入气体定量环；再关闭第二电磁阀，打开第四电磁阀，使得经气体定量环定量后的标准气体进入质谱分析仪；

根据所述质谱分析仪对定量后的标准气体进行检测后测得的数据确定电化学质谱定量的标准和/或建立标准曲线。

优选的，所述冷阱的制冷方式包括：电制冷、液氮制冷或者干冰制冷中的任一种；制冷温度低于-20℃。

优选的，所述电池测试盒为密封盒体。

进一步优选的，所述电池测试盒包括：壳体、盖板和密封垫圈；

所述盖板上具有电源接口和所述出气口。

本发明提出的全自动化电化学质谱分析系统，适用于商用软包，硬壳或柱状电池等的电化学质谱分析。其系统结构简单，在不改变电池工作条件的前提下能够获得可靠准确的测试结果，并实现电池的全自动分析，节省人力和物力。

附图说明

下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步详细描述。

图1为本发明实施例提供的全自动化电化学质谱分析系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的电池测试盒的结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体的实施例，对本发明进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本发明，即并不意于限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的全自动化电化学质谱分析系统的结构示意图。如图所示，电化学质谱分析系统包括：电池测试系统101、电池测试盒102、气体输送控制系统10、质谱分析模块20和真空泵116。

电池测试盒102，用于容纳被测电池103；

电池测试盒102为密封盒体，具体结构可以如图2所示，包括：壳体1、盖板2和密封垫圈3；盖板2上具有电源接口21、22，分别用于连接正、负极电源，还具有出气口23。

电池测试系统101，用于控制被测电池103充放电及测试被测电池103的电化学参数；

气体输送控制系统10，连接电池测试盒102、标准气体107、真空泵116和质谱分析模块20；

气体输送控制系统10具体包括：控制器117和输送系统，控制器117控制输送系统，用以接通或关断电池测试盒102与质谱分析模块20之间的连接，接通或关断标准气体107与质谱分析模块20之间的连接，以及接入或断开真空泵116与输送系统的连接；

进一步的，输送系统包括：第一电磁阀104、第二电磁阀106、第三电磁阀108、第四电磁阀111、第五电磁阀115、第一三通连接器105、第二三通连接器110和气体定量环109；

第一电磁阀104、第二电磁阀106、第三电磁阀108、第四电磁阀111第五电磁阀115、质谱分析仪114均由控制器117控制；

第一电磁阀104的一端连接电池测试盒102的出气口，另一端接第一三通连接器105的第一接口；第三电磁阀108的一端连接标准气体107，另一端接第一三通连接器105的第二接口；第一三通接口的第三接口连接第二电磁阀106的一端；第二电磁阀106的另一端接气体定量环的输入端；气体定量环的输出端接第二三通连接器110的第一接口；第二三通连接器110的第二接口接第五电磁阀115连接到真空泵116；第二三通连接器110的第三接口接第四电磁阀111的一端，第四电磁阀111的另一端接过滤器的输入端口。

质谱分析模块20，包括依次连接的过滤器112、冷阱113和质谱分析仪114。

过滤器112用于对通过输送系统送入质谱分析仪114的气体进行过滤。

冷阱113用于对过滤后的气体进行冷却；具体的，冷阱113的制冷方式包括：电制冷、液氮制冷或者干冰制冷中的任一种；制冷温度低于-20℃。

质谱分析仪114用于对输送系统中的气体进行质谱分析检测。

真空泵116，用于将电化学质谱分析系统中的气体排出。由此使得气体输送管路处于真空状态，从而电池产气能够快速均匀输入气体输送控制系统而进一步进入质谱分析模块实现定性定量分析。

上述各电磁阀阀门和接口组件的接口尺寸优选为1/8英寸或1/16英寸。上述过滤器112的接口尺寸优选为1/8英寸或1/16英寸，其滤芯优选为2微米。

以上说明了本发明提出的全自动化电化学质谱分析系统的结构，下面对其工作方式进行说明。

以对于商用软包锂离子电池的充放电程序的产气进行电化学质谱分析为例：

首先，执行气体标定程序。标准气体的种类(浓度已知)可以根据电池所要分析的气体种类而选择。

控制器117控制关闭第一电磁阀104和第三电磁阀108，打开第二电磁阀106、第五电磁阀115以及第四电磁阀111开启真空泵116设定时长抽取输送系统中的残留气体；

在到达设定时长后，控制器117控制关闭第五电磁阀115和第四电磁阀111，打开第三电磁阀108，使得标准气体进入气体定量环；再关闭第二电磁阀106，打开第四电磁阀111，使得经气体定量环定量后的标准气体进入质谱分析仪114；

根据所述质谱分析仪114对定量后的标准气体进行检测后测得的数据确定电化学质谱定量的标准和/或建立标准曲线。具体可通过已知的各气体浓度和质谱离子峰电流可以建立标准曲线，作为电化学质谱定量的标准。

在实际操作中可以多次重复上述过程，求取平均值，可以减少电化学质谱定量误差。

在完成气体标定程序之后，将待测的被测电池接入该分析系统。

在手套箱中装配好软包电池103，并在其包装上保留一个小孔便于产气的排出。随后，将装配好的软包电池103置于电池测试盒102中，并连接电池测试系统101。

之后，进行系统初始化。在所述电化学质谱分析系统进行质谱分析检测之前，所述控制器117控制打开第一电磁阀104、第二电磁阀106、第五电磁阀115以及第四电磁阀111，开启真空泵116抽取电池测试盒102和输送系统中的残留气体；当质谱分析仪114测得的数据达到设定初始范围时，即表明输送系统中的不纯气体降低到理想范围并保持恒定了，控制器117控制关闭第一电磁阀104、第二电磁阀106、第五电磁阀115以及第四电磁阀111，电化学质谱分析系统完成系统初始化。

在所述电化学质谱分析系统完成系统初始化之后，启动电池测试系统101，对被测电池103执行充放电使被测电池103产气。控制器117控制打开第一电磁阀104和第二电磁阀106，由于此时气体定量环中为真空状态，因此被测电池产生的气体会快速均匀的由电池测试盒102内经第一电磁阀104、第一三通连接器和第二电磁阀106扩散进入气体定量环；

控制器117控制关闭第一电磁阀104和第二电磁阀106，再控制打开第四电磁阀111预定时间，气体定量环中气体在压差作用下会快速扩散进入质谱分析仪114，从而通过质谱分析仪114能够对气体进行质谱分析检测。

所述控制器117在所述预定时间后控制关闭第四电磁阀111并打开第五电磁阀115，通过真空泵116抽走气体定量环中的残留气体；最后关闭第五电磁阀115。

将已知体积的气体定量环109中的电池产气带入质谱分析，通过标准曲线可以计算得到气体定量环109中气体种类及含量。由于气体定量环109的体积和电池测试盒102的体积已知，通过气体定量环109可以外推得到单位时间内电池103所产生气体种类及含量。

由此完成商用软包锂离子电池产生气体的一个数据点的采集。如此循环往复，实现电池整个充放电过程的气体分析。

需要说明的是，控制器117可以通过程序设定(如Labview软件)自动控制系统中的所有电磁阀的通断，完成密集(如1秒采集一个数据点)或稀疏(如1小时一个数据点)数据点的采集。此外，采集后的数据可以通过计算机编程软件(如Python，Matlab等)自动处理，从而实现商用软包/柱状电池的全自动电化学质谱的测试，极大减少人力物力的投入。

对于系统中各电磁阀的类型，可根据实际需要进行选择，本实施例对此不作限定。

本发明提出的全自动化电化学质谱分析系统，适用于商用软包或柱状电池等的自动电化学质谱分析。其系统结构简单，在不改变电池工作条件的前提下能够获得可靠准确的测试结果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，所述电化学质谱分析系统包括：

电池测试盒，用于容纳被测电池；

电池测试系统，用于控制所述被测电池充放电及测试被测电池的电化学参数；

气体输送控制系统，连接所述电池测试盒、标准气体、真空泵和质谱分析模块；所述气体输送控制系统包括：控制器和输送系统，所述控制器控制所述输送系统，用以接通或关断所述电池测试盒与质谱分析模块之间的连接，所述标准气体与质谱分析模块之间的连接，以及接入或断开所述真空泵与所述输送系统的连接；

质谱分析模块，包括依次连接的过滤器、冷阱和质谱分析仪；所述过滤器用于对通过所述输送系统送入所述质谱分析仪的气体进行过滤；所述冷阱用于对所述过滤后的气体进行冷却；所述质谱分析仪用于对所述输送系统中的气体进行质谱分析检测；

真空泵，用于将所述电化学质谱分析系统中的气体排出。

2.根据权利要求1所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，所述输送系统包括：第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀第五电磁阀、第一三通连接器、第二三通连接器和气体定量环；

所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第四电磁阀第五电磁阀均由所述控制器控制；

所述第一电磁阀的一端连接电池测试盒的出气口，另一端接第一三通连接器的第一接口；所述第三电磁阀的一端连接标准气体，另一端接第一三通连接器的第二接口；所述第一三通接口的第三接口连接所述第二电磁阀的一端；所述第二电磁阀的另一端接气体定量环的输入端；气体定量环的输出端接第二三通连接器的第一接口；第二三通连接器的第二接口接第五电磁阀连接到真空泵；第二三通连接器的第三接口接第四电磁阀的一端，第四电磁阀的另一端接过滤器的输入端口。

3.根据权利要求1所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，在所述电化学质谱分析系统进行质谱分析检测之前，所述控制器控制打开第一电磁阀、第二电磁阀、第五电磁阀以及第四电磁阀，开启真空泵抽取电池测试盒和输送系统中的残留气体；当质谱分析仪测得的数据达到设定初始范围时，控制器控制关闭第一电磁阀、第二电磁阀、第五电磁阀以及第四电磁阀，电化学质谱分析系统完成系统初始化。

4.根据权利要求3所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，在所述电化学质谱分析系统完成系统初始化之后，所述控制器控制打开第一电磁阀和第二电磁阀，被测电池产生的气体由电池测试盒内经第一电磁阀、第一三通连接器和第二电磁阀进入气体定量环；

控制器控制关闭第一电磁阀和第二电磁阀，再控制打开第四电磁阀预定时间，气体定量环中气体扩散进入质谱分析仪，用以对气体进行质谱分析检测。

5.根据权利要求4所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，所述控制器在所述预定时间后控制关闭第四电磁阀并打开第五电磁阀，通过真空泵抽走气体定量环中的残留气体；最后关闭第五电磁阀。

6.根据权利要求4所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，在所述电化学质谱分析系统进行质谱分析检测之前，所述控制器控制关闭第一电磁阀和第三电磁阀，打开第二电磁阀、第五电磁阀以及第四电磁阀开启真空泵设定时长抽取输送系统中的残留气体；

在到达设定时长后，控制器控制关闭第五电磁阀和第四电磁阀，打开第三电磁阀，使得标准气体进入气体定量环；再关闭第二电磁阀，打开第四电磁阀，使得经气体定量环定量后的标准气体进入质谱分析仪；

根据所述质谱分析仪对定量后的标准气体进行检测后测得的数据确定电化学质谱定量的标准和/或建立标准曲线。

7.根据权利要求1所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，所述冷阱的制冷方式包括：电制冷、液氮制冷或者干冰制冷中的任一种；制冷温度低于-20℃。

8.根据权利要求1所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，所述电池测试盒为密封盒体。

9.根据权利要求8所述的全自动化电化学质谱分析系统，其特征在于，所述电池测试盒包括：壳体、盖板和密封垫圈；

所述盖板上具有电源接口和所述出气口。

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