CN214953207U - 一种基于线性传感器的电化学原位监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，属于电池领域，其包括上模具、下模具、密封圈和绝缘套，下模具中央开槽，开槽底部设置有绝缘套，开槽内设置待检测的电化学单元，电化学单元位于绝缘套之上，绝缘套之上且位于上、下模具之间设置有密封圈，上模具和下模具之间连接固定，下模具上设置有容置线性传感器的通孔和电极孔。下模具中央开槽为圆形台阶状，具有多种不同直径，直径最小的开槽里固定外界的锂金属负极，直径中等大小的槽开放置带检测的电化学单元，直径最大开槽里放置密封圈。本实用新型将线性传感器简单方便的集成在电池内部，能够对电池中发生的电化学反应原位进行机理研究。

Description

一种基于线性传感器的电化学原位监测装置

技术领域

本实用新型属于电池领域，更具体地，涉及一种基于线性传感器的电化学原位监测装置。

背景技术

在充放电循环过程中，电池电极材料会逐渐发生老化分解。为了研究电极材料在循环过程中的老化机制，需要表征电极材料的各种参数。充放电测试、循环伏安法等电化学测试方法仅仅只能够反应材料电化学性能的好坏，只能体现出最后的结果，而不能用来研究电化学性能的衰减机制。

传感器是用来测量材料各种参数的最佳选择，可以测量温度、应变等参数，通过这些参数可以反应材料在某些方面的性能。将传感器集成于电池机构中可以进行电极材料在发生电化学反应时的原位研究，能够监测电化学反应过程中各种物理参数的变化，能够进行电化学反应机理方面的研究。

然而，在使用传感器原位监测电池结构时，在放置位置、密封等方面遇到很多问题：传感器一般需要传输信号的物体，如导线等，因此将传感器集成到电池结构中时，需要将信号从中导出，而这会导致整个电池结构不是一个密封体系，需要设计一个在贯穿处的密封装置以解决电池漏液的问题。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，将线性传感器简单方便的集成在电池内部，从而能提供一种原位监测电池电极材料物理参数的装置，进而能够对电池中发生的电化学反应进行机理研究。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其包括上模具、下模具、密封圈和绝缘套，其中，下模具中央开槽，开槽底部设置有绝缘套，开槽内设置待检测的电化学单元，电化学单元位于绝缘套之上，绝缘套之上且位于上、下模具之间设置有密封圈，上模具和下模具之间连接固定，下模具上设置有容置线性传感器的通孔和电极孔。

进一步的，所述下模具中央开槽为圆形台阶状，具有多种不同直径，直径最小的开槽里固定外界的锂金属负极，直径中等大小的槽开放置带检测的电化学单元，直径最大开槽里放置密封圈。

进一步的，其还包括导电杆和导电弹簧，其中，导电杆具有一圆形短杆和与圆形短杆固定为一体的圆片，导电杆的圆片压合在待检测的电化学单元上，导电弹簧穿插在导电杆的圆形短杆上，并受上模具向下挤压。

进一步的，下模具侧壁开设有用于容置线性传感器的通孔，该通孔与下模具的中央开槽平齐，通孔横截面的形状为圆形、长方形、正方形或菱形。

进一步的，通孔是直径为200μm～400μm的圆形通孔。

进一步的，用于容置线性传感器的通孔处具有固体蜡以实现蜡封。

进一步的，上模具和下模具周边侧壁上均设置有用于固定外界电极的电极孔。

进一步的，上模具上开设有六个开孔，开孔中放置绝缘螺钉套，下表面贴有一层绝缘胶带，所述绝缘螺钉套放置在上模具开孔中，其为螺纹通孔，通过螺纹通孔将上模具与下模具固定。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本实用新型中，上模具和下模具之间连接固定，下模具上设置有容置线性传感器的通孔和电极孔，将线性传感器集成在电池结构中，能够构成待测电化学单元的密封体系，可以原位监测电极材料的各种物理参数，如温度、应力，本实用新型将线性传感器简单方便的集成在电池内部，能够在贯穿处完全密封整个电池体系，提供一种原位监测电池电极材料物理参数的装置，从而能够对电池中发生的电化学反应进行机理研究。同时，本实用新型设计的模具装配极为方便，所有部件都可以反复使用，也便于清洗调试。

附图说明

图1是本实用新型实施例中基于线性传感器的化学原位监测装置的结构示意图；

图2是下模具8在不同角度下的剖面结构示意图。

其中，以上附图中相同的附图标记表示自始至终表示相同的结构或者零件：

1-螺丝 2-绝缘螺钉套 3-上模具

4-密封圈 5-导电弹簧 6-导电杆

7-绝缘套 8-下模具 9-通孔

10-电极孔

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型的一种基于线性传感器的电化学原位监测模具，包括下模具、密封圈、导电杆、绝缘套、导电弹簧、上模具、绝缘螺钉套、螺钉。其中，线性传感器的专属孔道位于下模具，电化学测试单元(待测物体)设置于下模具与导电杆之间，通过上、下模具周边的电极孔进行导电连接以对待测物进行电化学测试。线性传感器正好处于待测物所在位置，可以监测待测物的各种物理参数。组装完成后，对传感器孔道处进行蜡封，防止其漏液。

图1是本实用新型实施例中基于线性传感器的化学原位监测装置的结构示意图，由图可知，本实用新型中基于线性传感器的电化学原位监测模具包括：螺丝1、绝缘螺钉套2、上模具3、密封圈4、导电弹簧5、导电杆6、绝缘套7和下模具8。上模具、下模具可以上、下放置在一起，所述下模具中央开槽，直径最小的槽用于固定锂金属负极，直径稍大的槽用于放置电化学单元，直径最大的槽用于放置密封圈；所述下模具上表面均匀分布六个螺纹孔，用于与上模具固定。绝缘套放置在下模具中，同时将待测电化学测试单元放置在绝缘套中间。所述导电杆与导电弹簧放置在待测电化学单元上，导电弹簧压靠在导电杆上；所述上模具底部开槽，用于固定导电弹簧的位置，上模具上表面均匀开有六孔，用于放置绝缘螺钉套，下表面贴有一层绝缘胶带，侧面开有一电极孔，方便与外电路连接；所述绝缘螺钉套放置在上模具通孔中，其开有螺纹通孔，用于上模具与下模具的固定；下模具、待测电化学单元、导电杆、导电弹簧、上模具构成导电通路。

具体的组装过程比如为：上模具3与下模具8上下重叠放置在一起，待测电化学单元放置在其内部。将待测电化学单元从下往上依次以锂片、隔膜正极的顺序放置在下模具的开槽中后，随后将线性传感器通过下模具侧面的小孔中插入，放置在锂片上方。然后依次放入绝缘套、导电杆、导电弹簧、密封圈，最后放上上模具。上模具底部整个平面上贴有绝缘胶带，防止短路，拧紧螺丝，构成一个密封的单元。最后在下模具通孔9处采用蜡封，防止漏液。该下模具8、待测电化学单元、导电杆6、导电弹簧5、上模具3构成一个完整回路。

下模具侧面分别开有电极孔和传感器通孔，如图2所示，图2示出了下模具不同角度下的剖面结构，电极孔用于固定外电路电极，传感器通孔用于放置传感器。下模具侧面开有通孔9，方便传感器集成在电池结构内部，该通孔与下模具开槽平齐，通孔形状包括但不限于圆形、长方形、正方形、菱形等，通孔9为直径比如为300μm的圆形通孔，形状和尺寸皆可根据具体情况按照传感器大小进行更改。

本实用新型中，待测电化学单元由锂片、隔膜、待测电极依次堆叠而形成。所述密封圈放置在上模具与下模具之间。上模具和下模具通过螺丝固定。所述导电材料均为金属，绝缘材料均为塑料。组装完成之后在线性传感器通孔处滴蜡进行蜡封，保证待测电化学单元不漏液。外接电路可以通过插入上、下模具的电极孔中固定电极。

按照本实用新型设计的原位电化学监测模具可以完成传感器的原位测试，将线性传感器集成在电池结构中，能够构成待测电化学单元的密封体系，可以原位监测电极材料的各种物理参数(如温度、应力等)。同时，本实用新型设计的模具装配极为方便，所有部件都可以反复使用，也便于清洗调试。

运用本实用新型的基于线性传感器的电化学原位监测模具进行原位测试的方法如下：

实施例1：

运用所述基于线性传感器的电化学原位监测模具进行原位测试的方法包括下列步骤，以下步骤均在充满氩气的手套箱中完成：

(1)准备待测电化学单元：准备好Φ14的锂片、Φ18的铜箔以及Φ20的隔膜，按照锂片、隔膜、铜箔的顺序依次放入下模具中。

(2)线性传感器的放置：将线性传感器通过下模具侧面的小孔穿过模具，放置在待测电化学单元中锂片表面。

(3)基于线性传感器的电化学原位监测模具的组装：在下模具中依次放入绝缘套、导电杆、导电弹簧、密封圈，随后将上模具叠放在上模具上，拧紧螺丝。

(4)蜡封：将石蜡加热滴在下模具侧面通孔9处，随后冷却。

(5)电化学测试：将装配完成的模具放置在桌面上，电极分别通过上模具和下模具侧面的电极孔10接出。将线性传感器接入解调器，设定好电化学测试，即可开始电化学原位监测。

实施例2：

以铜箔为集流体、磷酸铁锂为正极材料、光纤布拉格光栅(FBG)为线性传感器，组装无负极电池，应用本实用新型进行原位电化学应力监测：

(1)待测正极材料制备：

将磷酸铁锂、导电炭黑、聚偏氟乙烯按照质量比8：1：1混合研磨均匀，采用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂配置成均一、粘度适中的浆料，涂敷在涂碳铝箔上，在真空干燥箱中70℃烘干。烘干取出后冲成Φ8的圆片。

(2)模具组装：

将待测电化学单元按照铜箔、隔膜、磷酸铁锂的顺序放入下模具，随后将FBG通过通孔插入下模具，将刻有光栅的一段放置在铜箔上方。再接着，向其中加入电解液直至完全浸润电化学单元，该电解液采用1M LiTFSI为溶剂，体积比为1：1的1,3-二氧戊环(DOL)、乙二醇二甲醚(DME)为溶质。最后，按照实施例1的方法组装好模具。

(3)原位电化学监测：

按照实施例1的方法接入电极，将FBG与解调器组装完成，随后开始电化学原位应力监测。

实施例3：

以金属锂为负极、硫为正极、温度传感器为线性传感器，组装锂金属电池，应用本实用新型进行原位电化学温度监测。

(1)待测正极材料制备：

将硫粉、导电炭黑、聚偏氟乙烯按照质量比7：2：1混合研磨均匀，采用N-甲基吡咯烷酮作为溶剂配置成均一、粘度适中的浆料，涂敷在涂碳铝箔上，在真空干燥箱中70℃烘干。烘干取出后冲成Φ8的圆片。

(2)模具组装：

将待测电化学单元按照锂片、隔膜、硫极片的顺序放入下模具，随后将线性温度传感器通过通孔9插入下模具，将传感器放置在锂片上方。随后，向其中加入电解液直至完全浸润电化学单元，该电解液采用1M LiTFSI为溶剂、体积比为1：1的1,3-二氧戊环(DOL)、乙二醇二甲醚(DME)为溶质。最后，按照实施例1的方法组装好模具。

(3)原位电化学监测：

按照实施例1的方法接入电极，将温度传感器与解调器组装完成，随后开始电化学原位应温度监测。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，其包括上模具(3)、下模具(8)、密封圈(4)和绝缘套(7)，其中，下模具(8)中央开槽，开槽底部设置有绝缘套(7)，开槽内设置待检测的电化学单元，电化学单元位于绝缘套(7)之上，绝缘套(7)之上且位于上、下模具之间设置有密封圈(4)，上模具和下模具之间连接固定，下模具上设置有容置线性传感器的通孔和电极孔。

2.如权利要求1所述的一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，所述下模具中央开槽为圆形台阶状，具有多种不同直径，直径最小的开槽里固定外界的锂金属负极，直径中等大小的槽开放置带检测的电化学单元，直径最大开槽里放置密封圈(4)。

3.如权利要求2所述的一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，其还包括导电杆(6)和导电弹簧(5)，其中，导电杆具有一圆形短杆和与圆形短杆固定为一体的圆片，导电杆(6)的圆片压合在待检测的电化学单元上，导电弹簧(5)穿插在导电杆(6)的圆形短杆上，并受上模具向下挤压。

4.如权利要求3所述的一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，下模具侧壁开设有用于容置线性传感器的通孔(9)，该通孔(9)与下模具的中央开槽平齐，通孔横截面的形状为圆形、长方形、正方形或菱形。

5.如权利要求4所述的一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，通孔(9)是直径为200μm～400μm的圆形通孔。

6.如权利要求5所述的一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，用于容置线性传感器的通孔处具有固体蜡以实现蜡封。

7.如权利要求6所述的一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，上模具和下模具周边侧壁上均设置有用于固定外界电极的电极孔。

8.如权利要求7所述的一种基于线性传感器的电化学原位监测装置，其特征在于，上模具上开设有六个开孔，开孔中放置绝缘螺钉套，下表面贴有一层绝缘胶带，所述绝缘螺钉套放置在上模具开孔中，其为螺纹通孔，通过螺纹通孔将上模具与下模具固定。

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