CN203456552U - 锂离子电池内部产气在线收集装置及使用其的检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种锂离子电池内部产气在线收集装置及使用其的检测设备，包括：壳体，其两头开口；导电的上下盖，可拆卸地经由气密性组件与所述壳体的两头开口分别气密性配合，与壳体形成腔以注入电解液以及装入固定无外壳电芯，上盖具有通孔，电芯的上极柱中具有与上盖的通孔连通的通孔，上下盖能够分别电连接到无外壳电芯的上下极柱并电连接到电池充放电仪进行充放电；具有入口、阀门和出口的快接头，快接头的入口与上盖的通孔连通，阀门用于打开和关闭快接头，出口用于连接到质谱仪以向其提供在线产生的气体。利用该装置，能够在线地检测电池内部生成气体，分析不同电解液组成、电极材料及其处理手段（包覆等）、充放电方式对于产气的作用。

Description

锂离子电池内部产气在线收集装置及使用其的检测设备

技术领域

本实用新型涉及一种锂离子电池内部产气在线收集装置及使用其的检测设备。

背景技术

近年来，锂离子电池技术得到了迅猛发展，中国锂电产业持续高速增长，且锂离子电池的应用涵盖各种领域，对于锂离子电池的性能提出了更高的要求。

至今大多数商品锂离子电池采用LiCoO₂、LiMn₂O₄、LiFePO₄正极和不同类型的石墨材料负极，电解质则含有LiPF₆的碳酸酯溶液。

影响锂离子电池性能的因素很多，其不仅与电池材料的稳定性相关，同时也与电池内部的各种物理与化学过程密切相关，如正极材料的溶解、电解质溶剂的分解以及电极极片结构松弛引起的活性材料脱落等。

电解质溶剂的分解会导致析气问题。具体说来，尽管电解质中常用的烷基碳酸酯溶剂的氧化电势较高（在4.5-5V之间），但在较高电势下仍会被氧化产生包括CO、CO₂以及含有酯键、羟基以及醛基的有机物。同时在低电势下，会在负极的表面发生分解从而产生烯烃气体。所产生的气体会滞留在正负极间，使电池性能急剧下降并还会对电池的安全构成威胁。因此如何抑制气体的产生，是锂离子电池研究的重要内容之一。除了电解质溶剂的分解，还存在电解质中的锂盐的稳定性问题。如最常用的LiPF₆，在电解质中的分解温度只有80-85℃。Li盐的分解不仅影响其本身的稳定性，同时其分解产生的HF极易参与正极发生的反应，降低正极的稳定性，而且产物PF₅与SEI膜中的Li₂CO₃、烷基碳酸锂和烷氧基碳酸锂反应，生成导电性差的LiF并放出气体，从而导致电池性能的下降以及危及电池的安全性能。因此，抑制锂盐的分解对提高电池性能也具有重要的意义。

通过对于锂离子电池在循环充放电过程中在线地检测其内部生成气体，可以分析电池内部电解质分解与不可逆反应发生机理，同时检测不同电解液组成、电极材料及其处理手段（包覆等）、充放电方式对于电池内部产气的作用效果，以便得出对于电池内部产气的抑制效果最好的电解液组成、电极材料及其处理手段以及充放电方式。因此，需要提供一种锂离子电池内部产气在线收集装置。

实用新型内容

本实用新型提供了一种锂离子电池内部产气在线收集装置，其包括：

壳体，其两头开口；

导电的上盖和下盖，可拆卸地经由气密性组件与所述壳体的两头开口分别气密性配合，与所述壳体形成腔用于注入电解液以及装入且固定无外壳电芯，所述上盖具有通孔，所述无外壳电芯的上极柱中具有与所述上盖的通孔连通的通孔，所述上盖和下盖能够分别电连接到所述无外壳电芯的上下极柱，并能够电连接到电池充放电仪进行充放电；

具有入口、阀门和出口的快接头，所述快接头的入口与所述上盖的通孔连通，所述阀门用于打开和关闭所述快接头，所述出口用于连接到质谱仪以向其提供在线产生的气体。

利用该装置，可以先拆开上盖和下盖，将无外壳电芯装入壳体，先将下盖经由气密性组件与壳体的下头开头气密性配合好（装配下盖和装入无外壳电芯的步骤的顺序可以调换），然后注入电解液，将上盖经由气密性组件与壳体的上头开口气密性配合好，关闭快接头，从而使得在无外壳电芯在密闭腔内浸润在电解液中的情况下，利用连接到上盖和下盖的电池充放电仪进行充放电，并将质谱仪连接到快接头的出口，打开快接头，由此在进行充放电的同时，利用质谱仪在线地获取所生成的气体并对其成分进行分析。

优选地，所述气密性组件由盖套和O型垫圈构成。两者的配合能够确保上盖和下盖与壳体实现紧密装配，更好地防止漏气。

优选地，在极柱与相应的气密性组件之间设置有带孔的垫片，所述极柱具有凸出部以经由相应的垫片中的孔伸出并电连接到上盖和下盖中相应的一个。优选地，所述垫片的外围尺寸与相应开口的内部尺寸相匹配。优选地，所述壳体由主体段和两头的膨胀台阶部构成，所述主体段的长度适应无外壳电芯除极柱之外的长度，垫片适配于所述膨胀台阶部的基部处。由此，利用所述垫片和壳体，能够将无外壳电芯在轴向上和径向上都更稳定地固定在腔中，避免由于摇晃或振动导致破坏极耳与极柱的连接关系或在注入的电解液中产生气泡或空穴导致影响电芯的化成效果及检测结果。此外，防止用上盖和下盖与壳体的相应开口密封性压紧配合时垫片对无外壳电芯的轴向挤压，避免损坏电芯的性能。

优选地，所述上盖和下盖由金属制成。

本实用新型还提供一种锂离子电池内部产气在线检测设备，包括：

上述的锂离子电池内部产气在线收集装置；

电池充放电仪，电连接到所述锂离子电池内部产气在线收集装置的上下盖来对电芯进行充放电；

质谱仪，连接到所述锂离子电池内部产气在线收集装置的快接头的出口，以对经由出口输出的产气进行组成分析。

该锂离子电池内部产气在线收集装置能够与市面上能够购买到的电池充放电仪和质谱仪协同操作以构成锂离子电池内部产气在线检测设备，在循环充放电过程中在线地检测锂离子电池内部生成的气体的组成。此外，该锂离子电池内部产气在线收集装置和检测设备制造简单、成本低廉、结构紧凑，便于批量生产供应给各电池厂商、实验室等来对锂离子电池进行质检、优化和改进。

附图说明

为了更清楚地描述本实用新型的技术方案，下面将结合附图作简要介绍。显而易见，这些附图仅是本申请记载的一些具体实施方式。根据本实用新型的包括但不限于以下这些附图。

图1示出根据本实用新型的一个实施例的锂离子电池内部产气在线收集装置的主视图；

图2示出根据本实用新型的另一个实施例的锂离子电池内部产气在线收集装置的局部剖视图；

图3示出图2所示的锂离子电池内部产气在线收集装置连同无外壳电芯的分解图。

附图标记的说明

1上盖	2壳体	3下盖
			4快接头	5极柱	6垫片
7盖套	8O型垫圈	9极片

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面将结合实施例对本实用新型的优选方案进行描述。这些描述只是举例说明本实用新型的特征和优点，而非限制本实用新型的保护范围。在本申请中，术语“无外壳电芯”表示没有外壳的由极片的卷绕部、极柱、连接到所述极柱和所述卷绕部的两头的极耳构成的单体，所述极片的卷绕部通过对正极片、隔膜、负极片、隔膜依序的叠层进行卷绕来形成。作为示例，所述“无外壳电芯”可以按照如下步骤制造：按照材料配比制作好电芯的极片9，经真空80度加热干燥，其中，可以在极片上预留出极耳部从而通过卷绕形成带有极耳的卷绕体，或者可以单独制造极耳、卷绕极片、并将极耳焊接到卷绕体上来形成带有极耳的卷绕体；将极耳使用超声焊接方法焊接到相应的极柱5上。

图1示出根据本实用新型的一个实施例的锂离子电池内部产气在线收集装置的主视图，其内部结构与图3所示的另一实施例的锂离子电池内部产气在线收集装置的分解图中的部分结构相同。如图1，本实用新型提供了一种锂离子电池内部产气在线收集装置，其包括：壳体2，其两头开口；导电的上盖1和下盖3，经由气密性组件与所述壳体的两头开口分别气密性配合，与所述壳体形成腔用于注入电解液以及装入且固定无外壳电芯，所述上盖1具有通孔（参见图3），所述无外壳电芯的上极柱中具有与所述上盖的通孔连通的通孔（参见图3），所述上盖1和下盖3分别电连接到所述无外壳电芯的上下极柱5，并用于电连接到电池充放电仪进行充放电；具有入口、阀门和出口的快接头4，所述快接头的入口与所述上盖的通孔连通，所述阀门用于打开和关闭所述快接头，所述出口用于连接到质谱仪以向其提供在线产生的气体，其中，所述上盖1和下盖3与所述壳体2之间是可拆卸的。

在对该装置进行存储和运输时，可以将上盖1和下盖3经由相应的气密性组件紧密装配到壳体的两头开口，以便保持装置的尺寸和结构紧凑，防止外来冲击例如运输时的撞击损害装置的构件以及灰尘杂质等污染壳体和上下盖的内部，并且一旦壳体2、上盖1和下盖3中的任一个发生故障时，可以仅仅替换掉故障的那个，就能够再度恢复正常使用，无需构买新的装置，剩余没有发生故障的部件也得到再利用，从而显著降低了实际使用成本并且更环保。

在将该装置用于检测在线生成的气体成分时，操作步骤如下：用下盖3经由相应气密性组件密封壳体2的下部开口，经由上部开口将无外壳电芯9装配到壳体2内（密封下部开口和装配无外壳电芯9的步骤的顺序可以调换），优选经真空80度加热干燥，然后转移进手套箱，并在手套箱内向壳体2内注入电解液，用上盖1经由相应的气密性组件密封壳体2的上部开口，使得无外壳电芯9的两个极柱5穿过气密性组件分别连接到上盖1和下盖3，关闭快接头4的阀门；安装好之后，拿出手套箱，将电池充放电仪电连接到上盖1和下盖3对其进行充放电，并将质谱仪连接到快接头4的出口，打开快接头，由此在进行充放电的同时，利用质谱仪在线地获取所生成的气体并对其成分进行检测分析。利用该装置，能够在线地检测电池内部生成气体，分析不同电解液组成、电极材料及其处理手段（包覆等）、充放电方式对于产气的作用效果。

在操作过程中，优选先接通电池充放电仪进行充放电预生成气体，然后打开快接头将气体馈送到质谱仪，电池充放电与质谱仪分析是同步进行的，从而实现对所生成气体的“在线”获取和检测，进而得到在整个充放电过程中所生成气体的成分的变化过程，不仅检测得出所生成的气体的种类，还能够检测得出各类气体的量随着充放电的变化过程。通过针对不同电解液组成、不同的电极材料及其处理手段（包覆等）、不同的充放电方式，对这些条件下的电池内部产气进行在线检测、比较和分析，可以从中选择出产气最少的最佳电解液组成、最佳电极材料及其处理手段以及最佳的充放电方式。为了更直观地进行比较分析，可以对电解液组成、电极材料及其处理手段（包覆等）、充放电方式中的两个条件进行固定，改变另一条件，并在各改变后的另一条件和两个固定条件下对电池内部产气进行在线检测和分析，得出在两个固定条件下抑制产气效果最好的另一条件；随后将两个固定条件设置为其可设置组合中的另一种，改变另一条件，重复上述的在线检测和分析；最后对三个条件的所有组合下得出的在线产气检测和分析结果进行比较，得出产气效果最好的三个条件的组合。上述两个固定条件的可设置组合根据厂家和科研的需要来确定，例如，可能需要使用固定的电解液组成，则根据上述步骤可以找到用于该固定的电解液组成的最佳电池材料及其处理手段以及充放电方式，等等。

如图3所示，所述气密性组件由盖套7和O型垫圈8构成。两者的配合能够确保上盖和下盖与壳体实现紧密装配，更好地防止漏气。图2示出根据本实用新型的另一实施例的锂离子电池内部产气在线收集装置的局部剖视图，该局部剖视图更清楚地示出了气密性组件的优选构成和与壳体2的开口之间的配合关系。如图2所示，优选地，在极柱5与相应的气密性组件之间设置有带孔的垫片6，所述极柱具有凸出部（参见图3）以经由相应的垫片6中的孔伸出并电连接到上盖1和下盖3中相应的一个。优选地，所述垫片6的外围尺寸与相应开口的内部尺寸相匹配（参见图2左侧的局部剖视图I）。优选地，所述壳体2由主体段和两头的膨胀台阶部构成，所述主体段的长度适应无外壳电芯除极柱之外的长度，垫片6适配于所述膨胀台阶部的基部处（参见图2左侧的局部剖视图I）。由此，利用所述垫片6和壳体2，能够将无外壳电芯在轴向上和径向上都更稳定地固定在腔中，避免由于摇晃或振动导致破坏极耳与极柱5的连接关系或在注入的电解液中产生气泡或空穴导致影响电芯的化成效果及检测结果。此外，防止用上盖1和下盖3与壳体的相应开口密封性压紧配合时垫片6对无外壳电芯的轴向挤压，避免损坏电芯的性能。

优选地，所述上盖1和下盖3由金属制成。

本实用新型还提供一种锂离子电池内部产气在线检测设备，包括：

上述的锂离子电池内部产气在线收集装置；

电池充放电仪，电连接到所述锂离子电池内部产气在线收集装置的上下盖来对电芯进行充放电；

质谱仪，连接到所述锂离子电池内部产气在线收集装置的快接头的出口，以对经由出口输出的产气进行组成分析。

该锂离子电池内部产气在线收集装置能够与市面上能够购买到的电池充放电仪和质谱仪协同操作以构成锂离子电池内部产气在线检测设备，在循环充放电过程中在线地检测锂离子电池内部生成的气体的组成。此外，该锂离子电池内部产气在线收集装置和检测设备制造简单、成本低廉、结构紧凑，便于批量生产供应给各电池厂商、实验室等来对锂离子电池进行质检、优化和改进。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，但这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求请求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种锂离子电池内部产气在线收集装置，其特征在于包括：

壳体，其两头开口；

导电的上盖和下盖，可拆卸地经由气密性组件与所述壳体的两头开口分别气密性配合，与所述壳体形成腔用于注入电解液以及装入且固定无外壳电芯，所述上盖具有通孔，所述无外壳电芯的上极柱中具有与所述上盖的通孔连通的通孔，所述上盖和下盖能够分别电连接到所述无外壳电芯的上下极柱，并能够电连接到电池充放电仪进行充放电；

具有入口、阀门和出口的快接头，所述快接头的入口与所述上盖的通孔连通，所述阀门用于打开和关闭所述快接头，所述出口用于连接到质谱仪以向其提供在线产生的气体。

2.根据权利要求1所述的锂离子电池内部产气在线收集装置，其特征在于，所述气密性组件由盖套和O型垫圈构成。

3.根据权利要求1所述的锂离子电池内部产气在线收集装置，其特征在于，在上下极柱与相应的气密性组件之间设置有带孔的垫片，所述上下极柱具有凸出部以经由相应的垫片中的孔伸出并电连接到上盖和下盖中相应的一个。

4.根据权利要求3所述的锂离子电池内部产气在线收集装置，其特征在于，所述垫片的外围尺寸与相应开口的内部尺寸相匹配。

5.根据权利要求3所述的锂离子电池内部产气在线收集装置，其特征在于，所述壳体由主体段和两头的膨胀台阶部构成，所述主体段的长度适应无外壳电芯除极柱之外的长度，垫片适配于所述膨胀台阶部的基部处。

6.根据权利要求1所述的锂离子电池内部产气在线收集装置，其特征在于，所述上盖和下盖由金属制成。

7.一种锂离子电池内部产气在线检测设备，包括：

根据权利要求1所述的锂离子电池内部产气在线收集装置；

电池充放电仪，电连接到所述锂离子电池内部产气在线收集装置的上下盖来对电芯进行充放电；

质谱仪，连接到所述锂离子电池内部产气在线收集装置的快接头的出口，以对经由出口输出的产气进行组成分析。

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