CN201104263Y - 测量电解液对电极材料的渗透能力的装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，包括带有凹腔的池体、滴液管和盖板；盖板上设有供滴液管的出液口伸入凹腔的通孔，滴液管与通孔的孔壁形成紧密接触；透明盖板具有可从盖板外观察到凹腔内部的结构。采用本实用新型得到的渗透能力K值反映了电极材料的压实密度ρ、电极材料的厚度l对渗透行为的影响，所用的渗透面积S和渗透时间t是电解液渗透能力的直接体现，因此所得测量结果直接反映了电解液对电极片的渗透能力。本实用新型结构简单，操作方便，测量结果可用性强。

Description

测量电解液对电极材料的渗透能力的装置
技术领域
本实用新型涉及借助于测定材料的物理性质来测试分析材料性能的装置，尤其是可直接反应电解液对电极材料的渗透能力的测量装置。
背景技术
相对于铅酸电池、镍氢电池和镍镉电池等传统的二次电池，锂离子电池具有不可比拟的优越性能和外形加工多样性，目前已经广泛应用于手机、笔记本电脑、PDA、摄像机、数码相机、移动DVD、MP3和MP4等移动电子终端设备中，同时锂离子电池也被用作电动工具和电动自行车的动力源。作为新一代绿色环保动力，锂离子电池发展迅猛，已成为国际电化学研究的热点领域之一。
市场需求的多样性对锂离子电池的电化学性能、安全、造型和体积等方面的特性提出了越来越高的要求，研发人员为满足使用需要而对锂离子电池进行着不断深入的研究。电解液是锂离子电池的重要组成部分之一，它直接决定着电池的循环寿命、安全性能、倍率放电特性、放电的平台时间和正负极的容量发挥等性能指标。因此，电解液是电池研发工作的重点。对于高容量体系锂离子电池，特别是体积比能量大于450Wh/L的铝壳电池，涂布于电极片上的正负极材料的压实密度较大、空隙率小，且现有结构设计中电池内部预留空间越来越小，这对电解液的注液过程造成了很大困难。因此，在不牺牲电解液的其它常规性能的前提下，要求电解液相对涂布于极片上的电极材料具有良好的渗透性，在研究和了解电解液对电极材料的渗透性的基础上，根据电池综合性能的需要对电极材料和电解液进行科学筛选和合理搭配。
关于电解液对电极材料的渗透性，目前锂离子电池制造商和电解液供应商所采用的评价方法是：空气环境下，在涂布有电极材料的电极片表面滴加碳酸丙烯酯(PC)，记录电极片吸收PC的时间。PC只是电解液的一种溶剂，而且并不是所有的电解液中都包含PC，PC的性质与电解液本身的性质相去甚远，相对于实际电解液，PC与电极片的界面性质、PC在电极材料表面的表面张力都完全不同。因此这种方法及其评价结果不能反应电解液与电极材料适配性的真实情况。高容量体系电解液对电极片的渗透性的评价也可以通过测定电解液的表面张力和黏度来进行。但是，因为锂离子电池电解液是非水体系，测定时要求环境水分含量在100ppm以下，加之电解液中的溶剂组分易于挥发，要求的测试条件非常严格，操作很复杂；由于电极片上的电极材料是几种原料的微小颗粒混合压制在一起，具有一定的孔隙率，表面张力的测定非常困难。采用这两种方法所得到的结果都没有直接反应电解液对电极材料的渗透性，不能直接指导电池的设计。因此，开发一种可直接反应电解液对电极材料的渗透能力的测量装置对于电极材料和电解液进行科学筛选和合理搭配意义重大。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种可直接反应电解液对电极材料的渗透能力的测量装置。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，包括带有凹腔的池体、滴液管和可封盖在池体上而使凹腔密闭的盖板；盖板上设有供滴液管的出液口伸入凹腔的通孔，滴液管与通孔的孔壁形成紧密接触；盖板具有可从盖板外观察到凹腔内部的结构。
测定定量电解液在电极材料中的渗透时间t和渗透面积S，结合电极材料的压实密度ρ和厚度l，通过公式
K = Sρl Vt = ( ρl V ) · S t 计算可得渗透能力值K。
测量时，先将涂敷有压实密度为ρ和厚度为l的电极材料的电极片置于凹腔中，然后将盖板覆盖在池体上使凹腔封闭；滴液管的出液口自盖板上的通孔伸入凹腔，滴液管与该通孔的孔壁之间保持紧密接触；按照试验要求选择测试的环境，控制凹腔中的湿度；使滴液管中体积为V的电解液泄漏到正极材料上，计取电解液开始泄漏至全部被电极材料吸收(即视觉观察电极材料表面的电解液积液全部消失)的时间计为渗透时间t；对于各向同性的电极材料，电解液因渗透在电极材料中而在电极材料表面形成圆形印迹，随着渗透过程的进行该圆形印迹不断扩大。量取渗透时间t内电解液因渗透而形成于电极材料上的圆形印迹的半径，根据半径计算圆形印迹的面积即渗透面积S，最后通过上述公式计算可得渗透能力值K；对于不具有各向同性的电极材料，电解液因渗透而形成于电极材料表面的印迹不是圆形，可在厚度均匀的透明纸或其它介质上描出渗透时间t内电解液形成于电极材料上的印迹的形状，用方格法或称重法求出渗透面积S。
滴液管的出液口的内径优选为0.01mm--3mm。
为了便于测量渗透时间t内电解液因渗透而形成圆形印迹的半径，作为本实用新型的改进，盖板上设置可度量电解液因渗透而形成于电极材料上的圆形印迹的半径的刻度标尺。刻度标尺可以是经过盖板上通孔孔心的带刻度的直线；也可以是以盖板上通孔孔心为圆心的同心圆环族，同心圆环族中相邻的两个圆环之间的间距为1mm--2mm。
作为本实用新型进一步的改进，滴液管上设置体积刻度和开关。这样，测量时即可以向滴液管中加入定量体积的电解液，也可以加入电解液后根据试验需要来控制电解液泄漏到电极材料上的体积。开关可选用双通旋塞。
盖板上的可从盖板外观察到凹腔内部的结构可以是：盖板为透明盖板；盖板上的可从盖板外观察到凹腔内部的结构也可以是：盖板上的设置可从盖板外观察到凹腔内部的透明视窗。
优选的滴液管为注射器。
本实用新型的有益效果是：采用本实用新型测量电解液对电极材料的渗透能力，得到的渗透能力K值反映了电极材料的压实密度ρ、电极材料的厚度l对电解液在电极材料中渗透行为的影响，所用的渗透面积S和渗透时间t是电解液在电极材料中渗透能力的直接体现，因此所得测量结果直接反映了电解液对电极片的渗透能力，以及电解液和电极材料之间的相互适配性，可作为电池设计的参考数据，便于对电极材料和电解液进行科学筛选和合理匹配。本实用新型结构简单，操作方便，测量结果可用性强。
附图说明
下面通过具体实施方式并结合附图，对本实用新型作进一步的详细说明：
图1是本实用新型一种实施方式的结构示意图。
具体实施方式
图1示出了本实用新型的一种实施方式。
如图1所示，该测量装置包括敞口的池体1、透明的盖板2、滴液管3。池体1具有凹腔4，盖板2可覆盖在池体1上以将凹腔4封闭，盖板2和池体1之间采取紧密接触。盖板2上设有通孔，该通孔的径向尺寸和滴液管3下端的径向尺寸相适配，使得滴液管3下端插入该通孔后滴液管3下端与该通孔的孔壁之间保持密闭。滴液管3带有双通旋塞。盖板2上设有刻度标尺，该刻度标尺为以盖板2上的通孔为圆心的若干同心圆环，相邻两个圆环之间的间距为2mm。工作时，先将涂布有本公司某型号正极材料(该材料具有各向同性)的电极片置于凹腔4中，正极材料朝上，正极材料的压实密度ρ和厚度l可通过测算得知；然后将盖板2覆盖在池体1上使凹腔4封闭；在滴液管3中装入体积为V的电解液，滴液管3下端从盖板2上的通孔插入至与正极材料表面接触，滴液管3下端与该通孔的孔壁之间保持密闭。然后打开滴液管3的双通旋塞，电解液全部泄漏到正极材料上，电解液因渗透在正极材料中而在正极材料表面形成圆形印迹，该圆形印迹的圆心为滴液管3下端与正极材料表面的接触点，随着渗透过程的进行该圆形印迹不断扩大。用计时器计取电解液开始泄漏至全部被电极片吸收(即视觉观察电极材料表面的电解液积液全部消失)的时间计为渗透时间t，测定渗透时间t内所形成圆形印迹的半径，根据半径计算圆形印迹的面积即渗透面积S，通过公式 K = Sρl Vt = ( ρl V ) · S t , 计算得到渗透能力值K。
在测量过程中，分别采用防过充功能电解液A、铝壳电池常用电解液B和高渗透性电解液C进行渗透试验，得到的结果见表一。
表一所示试验结果显示，不同电解液所表现出的渗透能力差别较大，该结果可以为电池中电解液的选择提供参考。
采用本实用新型测量装置也可以在负极材料压实密度、压实厚度不同的情况下进行渗透试验。测量、计算方法与上述过程相同。
采用本实用新型测量装置测量渗透能力时，也可以使从盖板2上的通孔插入的滴液管3下端与正极材料表面保持小于5mm的距离，电解液滴落到正极材料上(该滴电解液体积可知)；电解液因渗透而形成于电极材料表面的圆形印迹持续扩大直至最大，此时圆形印迹的面积即渗透面积S，计取电解液开始与正极材料接触至形成渗透面积S所用的时间t，通过刻度标尺读取渗透面积S的直径，计算渗透面积S，通过公式 K = Sρl Vt = ( ρl V ) · S t , 计算得到渗透能力值K。
表一  不同电解液相对同种电极材料的渗透试验
  电解液     厚度/μm     压实密度/(g/cm3)   电解液体积/μL   渗透时间/S     渗透面积/cm2    K值/[g/(cm3*S)]
  C     69     1.661   3.2   30     1.039    12.400
    69     1.661   3.2   29     1.057    13.052
    平均值    12.726
  B     69     1.661   3.2   54     1.057    7.009
    69     1.661   3.2   57     1.075    6.755
    平均值    6.882
  B     68     1.666   3.2   56     1.131    7.150
    68     1.666   3.2   59     1.057    6.341
    平均值    6.746
  B     69     1.667   3.3   72     1.247    6.032
    69     1.667   3.2   69     1.112    5.790
    平均值    5.911
  A     69     1.666   3.2   74     1.057    5.141
    69     1.666   3.2   84     1.094    4.671
    平均值    4.906
  A     68     1.667   3.2   88     1.039    4.181
    68     1.667   3.2   81     1. 021    4.464
    平均值    4.323
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1、一种测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：包括带有凹腔的池体、滴液管和可封盖在所述池体上而使所述凹腔封闭的盖板；所述盖板上设有供所述滴液管的出液口伸入所述凹腔的通孔，所述滴液管与所述通孔的孔壁形成紧密接触；所述盖板具有可从所述盖板外观察到所述凹腔内部的结构。
2、根据权利要求1所述的测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：所述滴液管的出液口的内径为0.01mm--3mm。
3、根据权利要求1或2所述的测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：所述盖板上设有可度量电解液在电极材料上渗透印迹的刻度标尺。
4、根据权利要求3所述的测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：所述刻度标尺为经过所述通孔孔心的带刻度的直线。
5、根据权利要求4所述的测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：所述刻度标尺为以所述通孔孔心为圆心的同心圆环族，所述同心圆环族中相邻的两个圆环之间的间距为1mm--2mm。
6、根据权利要求5所述的测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：所述滴液管设有体积刻度和开关。
7、根据权利要求6所述的测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：所述盖板为透明盖板。
8、根据权利要求7所述的测量电解液对电极材料的渗透能力的装置，其特征在于：所述滴液管为注射器。
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