CN113745629B - 一种便于在手套箱内组装的固态电池装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种便于在手套箱内组装的固态电池装置，属于固态电池实验技术领域。该装置包括O型环、弹簧A、弹簧B、内托管、正极绝缘螺纹盖、正极引线、负极引线、负极绝缘螺纹盖、负极密封螺纹环、外管和正极密封螺纹环，内托管管口中心上部放置固态电池，固态电池上下两侧分别通过弹簧A和弹簧B压紧，内托管下部管口通过正极密封螺纹环和正极绝缘螺纹盖密封，内托管外部套设外管，外管上部设置O型环，并通过负极密封螺纹环和负极绝缘螺纹盖密封。该装置不仅能保证电极片之间的合理受力，也可以有效分隔和密封电池的正负极，还可以通过透明的玻璃套管观察放电时电池内部情况变化，从而实现对固态电池的组装和实验测试。

Description

一种便于在手套箱内组装的固态电池装置
技术领域
本发明涉及固态电池实验技术领域，特别是指一种便于在手套箱内组装的固态电池装置。
背景技术
固态电池由正极、隔膜(固态电解质)和负极等部件构成。以陶瓷片为代表的无机固态电解质在实验室中被广泛应用到固态电池的设计中，这种无机固态电解质存在薄、脆和易碎的特点，因此加大了电池装配的难度。另外，常见的固态电池电极需要密封，为了减小界面阻抗，需要有合适的压力使得电极片与隔膜之间紧密接触，压力过小界面接触电阻增大，而压力过大易造成隔膜损坏，传统的用于实验室测试的电池组装设计方案难以满足这些要求。
目前实验室内组装电池往往采用纽扣电池和软包电池的形式。纽扣电池在压制时会给电池施加过大的压力，陶瓷片极容易压碎。软包电池则很难将尺寸较小的固态电池正负极分隔和密封，且软包电池在手套箱内组装更为困难。
发明内容
本发明为克服现有固态电池组装困难的问题，提供一种便于在手套箱内组装的固态电池装置，不仅能保证电极片之间的紧密接触，还可以有效分隔和密封电池的正负极，从而实现对固态电池的组装和实验测试。
该装置包括O型环、弹簧A、弹簧B、内托管、正极绝缘螺纹盖、正极引线、负极引线、负极绝缘螺纹盖、负极密封螺纹环、外管和正极密封螺纹环，内托管管口中心上部放置固态电池，固态电池上下两侧分别通过弹簧A和弹簧B压紧，内托管下部管口通过正极密封螺纹环和正极绝缘螺纹盖密封，内托管外部套设外管，外管上部设置O型环，并通过负极密封螺纹环和负极绝缘螺纹盖密封，固态电池从内托管引出正极引线，从外管引出负极引线。
其中，固态电池由垫片、负极、隔膜、固态电解质、正极及集流体依次叠放而成，固态电解质通过粘结剂粘贴在内托管上部管口，且覆盖住内托管上部管口，正极及集流体置于固态电解质面向内托管一侧，且正极及集流体全部位于内托管中，弹簧B一端连接正极及集流体弹簧B另一端连接正极绝缘螺纹盖；隔膜、负极和垫片由下而上叠放在固态电解质上表面，弹簧A一端连接垫片，弹簧A另一端连接负极绝缘螺纹盖。
外管长度大于内托管，外管长度为内托管长度的1.5～2.5倍。
内托管和外管采用绝缘、耐腐蚀的材料，如有机玻璃、刚玉等，当固态电池内部含有机电解液时，不能选用有机玻璃制作内托管和外管。
正极绝缘螺纹盖、负极绝缘螺纹盖、负极密封螺纹环和正极密封螺纹环均选用尼龙材质。
固态电池中为柔性电解质材料时，弹簧A施加压力大于弹簧B施加压力。
正极绝缘螺纹盖为全密封或开口结构。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述装置可以克服传统电池的缺点，实现脆性无机固态电解质在电池中的应用，保证了固态电池各个电极片的接触，并使接触压力可控，实现了电池内的分隔和密封，并方便在手套箱内的操作，可一次制备多个电池样品，提高科研效率。电极片直径在内托管内径到外管内径之间即可，减少了对电极片的尺寸要求。其优点如下：保证了电极片之间的紧密接触，并可按照要求调整给定压力；实现了正极负极的分隔和电池装置的密封；大大提高了在手套箱中组装固态电池的可操作性，一次可组装多枚电池；适用于气体固态电池(如固态锂空气电池等)；圆形电极片适用尺寸广，固态电解质片直径在内托管内径到外管内径之间即可；壳体采用透明管套，方便观察充放电过程中电池材料的变化。
附图说明
图1为本发明的全密封的固态电池装置装配示意图；
图2为本发明的弹簧A12结构示意图；
图3为本发明的弹簧A15结构示意图；
图4为本发明的弹簧A18结构示意图；
图5为本发明的弹簧B12结构示意图；
图6为本发明的弹簧B15结构示意图；
图7为本发明的弹簧B18结构示意图；
图8为本发明的密封的正极绝缘螺纹盖结构示意图；
图9为本发明的单口正极绝缘螺纹盖结构示意图；
图10为本发明的双口正极绝缘螺纹盖结构示意图；
图11为本发明的采用单口正极绝缘螺纹盖的固态电池装配示意图；
图12为本发明的负极绝缘螺纹盖结构示意图；
图13为本发明的负极密封螺纹环结构示意图；
图14为本发明的正极密封螺纹环结构示意图；
图15为本发明的正极绝缘螺纹盖结构示意图。
其中：1-O型环；2-弹簧A；3-弹簧B；4-内托管；5-正极绝缘螺纹盖；6-正极引线；7-负极引线；8-负极绝缘螺纹盖；9-负极密封螺纹环；10-固态电池；11-外管；12-正极密封螺纹环。
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。
本发明提供一种便于在手套箱内组装的固态电池装置。
该装置包括O型环1、弹簧A2、弹簧B3、内托管4、正极绝缘螺纹盖5、正极引线6、负极引线7、负极绝缘螺纹盖8、负极密封螺纹环9、外管11和正极密封螺纹环12，内托管4管口中心上部放置固态电池10，固态电池10上下两侧分别通过弹簧A2和弹簧B3压紧，内托管4下部管口通过正极密封螺纹环12和正极绝缘螺纹盖5密封，内托管4外部套设外管11，外管11上部设置O型环1，并通过负极密封螺纹环9和负极绝缘螺纹盖8密封，固态电池10从内托管4引出正极引线6，从外管11引出负极引线7。
如图1所示，为固态钴酸锂电池装配示意图，固态电池10由垫片、负极、隔膜、固态电解质、正极及集流体依次叠放而成，固态电解质通过粘结剂粘贴在内托管4上部管口，且覆盖住内托管4上部管口，正极及集流体置于固态电解质面向内托管4一侧，且正极及集流体全部位于内托管4中，弹簧B3一端连接正极及集流体弹簧B3另一端连接正极绝缘螺纹盖5；隔膜、负极和垫片由下而上叠放在固态电解质上表面，弹簧A2一端连接垫片，弹簧A2另一端连接负极绝缘螺纹盖8。
明显的，外管11长度大于内托管4。
内托管4和外管11采用绝缘、耐腐蚀的材料，当固态电池11内部含有机电解液时，不能选用有机玻璃制作内托管4和外管11。
正极绝缘螺纹盖5、负极绝缘螺纹盖8、负极密封螺纹环9和正极密封螺纹环12均选用尼龙材质。
固态电池10中为柔性电解质材料时，弹簧A2施加压力大于弹簧B3施加压力。
正极绝缘螺纹盖5为全密封或开口结构。
具体应用中，将固态电解质片用密封粘结剂(产品配套)牢固粘结在内托管4的管口中心，两侧分别放置正负极片，并采用双侧弹簧压紧，可以实现固态电池正极负极的分隔和电极片与固态电解质片的紧密接触。通过调整弹簧的型号和形变量，可以改变施加于电极片上的作用力，以满足减小界面阻抗的需求。此外，由于采用双侧弹簧压紧装置，且固态电解质片牢固粘结在内托管的管口，可以实现正负极给定不同压力，满足更高的要求。
通过外管、螺纹密封环和绝缘螺纹盖将电池密封到外管内，由于设计为螺纹密封装置，方便在手套箱内操作，大大减少了固态电池的组装难度。对于金属-氧气(空气)电池类型的固态电池，采用如图9所示的开孔的正极绝缘密封盖，可满足换气要求。引线口和内外管缝隙均密封，采用密封胶水将有导线穿过的引线口密封，外管和内托管采用可拆卸的尼龙材质密封环(如图12、图13、图14和图15所示)，并配合生料带密封。
需要注意的是，拧螺纹盖时，需使用生料带，以保证电池内部的密封。自配弹簧不可选用刚性强的弹簧，以免破坏脆性固态电解质，这会导致电池内部短路和电池失效。如果固态电池内部包含有机电解液，则内托管和外管的材料不要选用有机玻璃，避免有机溶剂将管套溶解损坏。若采用柔性固态电解质材料，则需要保证弹簧A施加压力大于弹簧B施加压力，避免弹簧B的压力过大，导致电池偏离中心位置，破坏固态电解质材料。需定期检查电池装置的导电性，方法为：使正负极集流体直接被弹簧压实接触，并用万用表测量电路电阻情况。
下面结合具体实施例予以说明。
实施例1
图1为该实施例的示意图，内部安装的固态电池10为固态钴酸锂电池。内托管和套管采用有机玻璃材料，弹簧A和弹簧B分别采用如图3和图6中的配套的A15和B15号弹簧(也可根据需要配置如图2、图4、图5和图7中的A12、A18和B12、B18等不同型号的弹簧，数字代表长度)。电池在手套箱组装完成后，即可连接正极连线6和负极连线7进行电池测试。通过正极绝缘螺纹盖5和负极绝缘螺纹盖8的扭转可以调整弹簧给定压力，并可以根据弹簧压缩变形量定量的给予压力。
实施例2
图11为该实施例的示意图，内部安装的固态电池10为固态锂空气电池。由于空气电池需要进行通气(空气、氧气等)，因此将正极绝缘螺纹盖5由图8的密封结构置换为如图9或图10的单孔或双孔的螺纹盖。气体可以通过单孔或双孔螺纹盖的孔道扩散到电池正极，双孔螺纹盖可配合相应管径的外管，外接设备控制气体流量。内托管和套管采用玻璃材料，弹簧A和弹簧B分别采用配套的A12和B12号弹簧。
由上，不仅能保证电极片与固态电解质片之间的紧密接触，还可以有效分隔和密封电池的正负极，并适用于多种电极片的尺寸，实现对固态电池的组装和实验测试。内托管和外管可以采用透明的玻璃管和有机玻璃管，便于观察；也可以采用耐腐蚀和高温的石英管和刚玉管。弹簧可根据需求配置选用多种弹簧。配套粘结剂为耐腐蚀且密封良好的胶水，也可按照需求配置耐高温粘结剂。
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 (7)

1.一种便于在手套箱内组装的固态电池装置，其特征在于：包括O型环（1）、弹簧A（2）、弹簧B（3）、内托管（4）、正极绝缘螺纹盖（5）、正极引线（6）、负极引线（7）、负极绝缘螺纹盖（8）、负极密封螺纹环（9）、外管（11）和正极密封螺纹环（12），内托管（4）管口中心上部放置固态电池（10），固态电池（10）上下两侧分别通过弹簧A（2）和弹簧B（3）压紧，内托管（4）下部管口通过正极密封螺纹环（12）和正极绝缘螺纹盖（5）密封，内托管（4）外部套设外管（11），外管（11）上部设置O型环（1），并通过负极密封螺纹环（9）和负极绝缘螺纹盖（8）密封，固态电池（10）从内托管（4）引出正极引线（6），从外管（11）引出负极引线（7）。
2.根据权利要求1所述的便于在手套箱内组装的固态电池装置，其特征在于：所述固态电池（10）由垫片、负极、隔膜、固态电解质、正极及集流体依次叠放而成，固态电解质通过粘结剂粘贴在内托管（4）上部管口，且覆盖住内托管（4）上部管口，正极及集流体置于固态电解质面向内托管（4）一侧，且正极及集流体全部位于内托管（4）中，弹簧B（3）一端连接正极及集流体，弹簧B（3）另一端连接正极绝缘螺纹盖（5）；隔膜、负极和垫片由下而上叠放在固态电解质上表面，弹簧A（2）一端连接垫片，弹簧A（2）另一端连接负极绝缘螺纹盖（8）。
3.根据权利要求1所述的便于在手套箱内组装的固态电池装置，其特征在于：所述外管（11）长度大于内托管（4），外管（11）长度为内托管长度的1.5~2.5倍。
4.根据权利要求1所述的便于在手套箱内组装的固态电池装置，其特征在于：所述内托管（4）和外管（11）采用绝缘、耐腐蚀的材料，当固态电池（10）内部含有机电解液时，不能选用有机玻璃制作内托管（4）和外管（11）。
5.根据权利要求1所述的便于在手套箱内组装的固态电池装置，其特征在于：所述正极绝缘螺纹盖（5）、负极绝缘螺纹盖（8）、负极密封螺纹环（9）和正极密封螺纹环（12）均选用尼龙材质。
6.根据权利要求1所述的便于在手套箱内组装的固态电池装置，其特征在于：所述固态电池（10）中为柔性电解质材料时，弹簧A（2）施加压力大于弹簧B（3）施加压力。
7.根据权利要求1所述的便于在手套箱内组装的固态电池装置，其特征在于：所述正极绝缘螺纹盖（5）为全密封或开口结构。
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