CN218382514U - 一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置 - Google Patents

一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置 Download PDF

Info

Publication number
CN218382514U
CN218382514U CN202222160818.2U CN202222160818U CN218382514U CN 218382514 U CN218382514 U CN 218382514U CN 202222160818 U CN202222160818 U CN 202222160818U CN 218382514 U CN218382514 U CN 218382514U
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas
electrode
electrochemical
detection device
quartz crystal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202222160818.2U
Other languages
English (en)
Inventor
郑甘雨
夏骥
牟丽莎
周安健
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deep Blue Automotive Technology Co ltd
Original Assignee
Chongqing Changan New Energy Automobile Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chongqing Changan New Energy Automobile Technology Co Ltd filed Critical Chongqing Changan New Energy Automobile Technology Co Ltd
Priority to CN202222160818.2U priority Critical patent/CN218382514U/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN218382514U publication Critical patent/CN218382514U/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries

Landscapes

  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本实用新型涉及一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置。其包括电化学石英晶体微天平、气体检测装置和载气瓶；电化学石英晶体微天平包括电化学反应单元、振荡器和电化学工作站；电化学反应单元包括与电化学工作站相连的参比电极、对电极和工作电极，三电极位于电解槽的电解液中；振荡器与工作电极和电化学工作站相连，工作电极的表面涂抹电极材料，通过化学石英晶体微天平获得电极材料的质量变化和电化学参数的测量；电解槽的一端连通载气瓶，另一端连通气体检测装置，通过载气瓶对电解槽提供惰性气体，并利用气体检测装置实现对被测电极材料表面产气的测量。本实用新型能准确分析锂电池负极表面的界面变化情况和产生气体的变化情况。

Description

一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置
技术领域
本实用新型涉及锂离子电池技术领域，具体涉及一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置。
背景技术
在锂离子电池首次充放电过程中，有机电解液容易在负极表面发生分解并初步形成固态电解质中间相(SEI)，并伴随大量可燃性气体的产生。在此后的长期循环反应中，SEI膜将反复破裂并重复生长，持续产生气体导致电池内部压力增加、电池胀气、极片膨胀后活性物质脱落，最终导致电池发生热失控、失火或爆炸等问题。因此，研究分析电池极片不同阶段的界面变化及产气原理对于预防电池热失控，提高电池安全系数有着至关重要的作用。
现有技术中，研究电池产气原理的方法主要有电化学质谱技术以及原位气相色谱技术。这两种方法都是经过实时分析电化学反应生成气体的变化情况，进而推断电化学反应机理及动力学参数。但是这两种方法只是对生成气体进行定性分析，而没有对气体进行定量分析，且也没有研究不同阶段的界面变化，因此，对电池负极表面发生的电化学反应及产气机理的研究相对有限，从而对提高锂离子电池安全性的指导意义不大。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置，以准确分析锂电池负极表面的界面变化情况和产生气体的变化情况，从而为提高锂离子电池的安全性、改善锂离子电池的电化学性能提供可靠性参考。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置，包括电化学石英晶体微天平、气体检测装置和载气瓶；
所述电化学石英晶体微天平包括电化学反应单元、振荡器和电化学工作站；
所述电化学反应单元包括参比电极、对电极、工作电极和电解槽，所述参比电极、对电极和工作电极均与所述电化学工作站相连，并均位于所述电解槽的电解液中；
所述振荡器分别与所述工作电极和所述电化学工作站相连，所述工作电极的表面用于涂抹被测电极材料，通过振荡器实现对被测电极材料谐振频率的检测，同时通过电化学工作站实现对电化学参数的同步测量，从而获得被测电极材料的质量变化；
所述电解槽的一端连通所述载气瓶，另一端连通所述气体检测装置，通过所述载气瓶对电解槽提供惰性气体，并利用气体检测装置实现对被测电极材料表面产气的测量。
根据上述技术手段，通过设置电化学反应单元、振荡器和电化学工作站共同组成电化学石英晶体微天平，然后将被测的锂电池电极材料涂抹在电化学反应单元中的工作电极表面，与参比电极和对电极一起组成三电极电化学反应单元。进行充放电反应测试时，通过振荡器检测测试过程中被测电极材料的谐振频率，以及电化学工作站检测测试过程中被测电极材料的电位变化，以获得电极材料表面的质量变化，从而通过质量变化与可能存在的固态产物理论值进行对比，即可判断出电极材料进行电化学反应所产生的固态产物；同时，通过载气瓶向电解槽中输入惰性气体，使得测试过程中电极材料发生电化学反应所产生的气体流入气体检测装置中，从而通过气体检测装置准确测量被测电极材料发生电化学反应过程中产生气体的种类。然后通过获得的固态产物结合产生气体的种类得到化学反应方程式，通过质量守恒原理计算得到气体的产量，从而准确分析锂电池负极表面的界面变化情况和产生气体的变化情况，进而为提高锂离子电池的安全性、改善锂离子电池的电化学性能提供可靠性指导。
优选的，所述气体检测装置为气相色谱仪。
通过采用气相色谱仪作为气体检测装置，以实时准确的测量电化学反应过程中，被测电极材料产生的气体种类。
优选的，所述工作电极为石英晶体芯片。
通过采用石英晶体芯片作为工作电极，进一步提高了测试结果的准确性。
优选的，所述石英晶体芯片位于所述电解槽的底部；所述参比电极与所述对电极相对布置，并位于所述石英晶体芯片的上方。
通过将用于涂覆锂电池电极材料的石英晶体芯片布置在电解槽的底部，充分保证了电极材料浸没在电解液中，以进一步使被测电极材料发生充分的电化学反应，进而提高测试结果的准确性。
优选的，所述电解槽的一端通过气体输入管道连通所述载气瓶，另一端通过气体输出管道连通所述气体检测装置。
通过采用气体输入管道连通电解槽和载气瓶，使得载气瓶中的惰性气体顺利的流入电解槽中，同时采用气体输出管道连通电解槽和气体检测装置，使得电解槽中发生电化学反应产生的气体能顺利流入气体检测装置中，从而通过气体检测装置准确的测试出电化学反应的产气种类。
优选的，所述气体输入管道上设有流量计和气体输入开关阀。
通过在气体输入管道上设置气体输入开关阀，以有效控制载气瓶中惰性气体的输出，同时通过流量计控制载气量。
优选的，所述气体输出管道上设有气体输出开关阀。
通过在气体输出管道上设置气体输出开关阀，以有效控制气体的输出。
优选的，所述气体输入管道的出气口和所述气体输出管道的进气口均高于所述电解液的液面。
通过将气体输入管道的出气口和气体输出管道的进气口均设为高于电解液的液面，有效避免了电解液流入气体输入管道和气体输出管道中，造成气体输入管道和气体输出管道的污染。
优选的，所述参比电极、对电极和工作电极均通过导线与所述电化学工作站相连。
通过采用导线连接三电极与电化学工作站，保证了电化学反应的正常进行，以及电化学参数的准确测定。
优选的，所述振荡器通过导线与所述工作电极相连。
通过采用导线连接振荡器和工作电极，使得振荡器能准确的检测被测电极材料在电化学反应过程中产生的谐振频率。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置，通过设置电化学反应单元、振荡器和电化学工作站共同组成电化学石英晶体微天平，然后将被测的锂电池电极材料涂抹在电化学反应单元中的工作电极表面，与参比电极和对电极一起组成三电极电化学反应单元。进行充放电反应测试时，通过振荡器检测测试过程中被测电极材料的谐振频率，以及电化学工作站检测测试过程中被测电极材料的电位变化，以获得电极材料表面的质量变化，从而通过质量变化与可能存在的固态产物理论值进行对比，即可判断出电极材料进行电化学反应所产生的固态产物；同时，通过载气瓶向电解槽中输入惰性气体，使得测试过程中电极材料发生电化学反应所产生的气体流入气体检测装置中，从而通过气体检测装置准确测量被测电极材料发生电化学反应过程中产生气体的种类。然后通过获得的固态产物结合产生气体的种类得到化学反应方程式，通过质量守恒原理计算得到气体的产量，从而准确分析锂电池负极表面的界面变化情况和产生气体的变化情况，进而为提高锂离子电池的安全性、改善锂离子电池的电化学性能提供可靠性指导，且该实验装置具有结构简单、搭建方便和易实现的优点，在锂离子电池测试技术领域，具有推广应用价值。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
其中，1-振荡器，2-电化学工作站，3-气体检测装置，4-载气瓶，5-参比电极，6-对电极，7-工作电极，8-电解槽，9-电解液，10-气体输入管道，11-气体输出管道，12-流量计，13-气体输入开关阀，14-气体输出开关阀。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本实用新型，而不是为了限制本实用新型的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，遂图式中仅显示与本实用新型中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例
如图1所示，一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置，包括电化学石英晶体微天平、气体检测装置3和载气瓶4；
所述电化学石英晶体微天平包括电化学反应单元、振荡器1和电化学工作站2；
电化学反应单元包括参比电极5、对电极6、工作电极7和电解槽8，参比电极5、对电极6和工作电极7均与电化学工作站2相连，并均位于电解槽8的电解液9中；
振荡器1分别与工作电极7和电化学工作站2相连，工作电极7的表面用于涂抹被测电极材料，通过振荡器1实现对被测电极材料谐振频率的检测，同时通过电化学工作站2实现对电化学参数的同步测量，从而获得被测电极材料的质量变化；
电解槽8的一端连通载气瓶4，另一端连通气体检测装置3，通过载气瓶4对电解槽8提供惰性气体，并利用气体检测装置3实现对被测电极材料表面产气的测量。
通过设置电化学反应单元、振荡器和电化学工作站共同组成电化学石英晶体微天平，然后将被测的锂电池电极材料涂抹在电化学反应单元中的工作电极表面，与参比电极和对电极一起组成三电极电化学反应单元。进行充放电反应测试时，通过振荡器检测测试过程中被测电极材料的谐振频率，以及电化学工作站检测测试过程中被测电极材料的电位变化，以获得电极材料表面的质量变化，从而通过质量变化与可能存在的固态产物理论值进行对比，即可判断出电极材料进行电化学反应所产生的固态产物；同时，通过载气瓶向电解槽中输入惰性气体，使得测试过程中电极材料发生电化学反应所产生的气体流入气体检测装置中，从而通过气体检测装置准确测量被测电极材料发生电化学反应过程中产生气体的种类。然后通过获得的固态产物结合产生气体的种类得到化学反应方程式，通过质量守恒原理计算得到气体的产量，从而准确分析锂电池负极表面的界面变化情况和产生气体的变化情况，进而为提高锂离子电池的安全性、改善锂离子电池的电化学性能提供可靠性指导。
其中，载气瓶中的惰性气体可为氩气或氮气。在本实施例中，电化学工作站主要用于测定电化学反应过程中的电位变化，从而与振荡器测得的谐振频率共同获得被测电极材料的质量变化。
为了实施检测被测电极材料发生电化学反应产生气体的种类，采用原位气相色谱仪作为气体检测装置3。
为了保证测试结果的准确性，选用石英晶体芯片作为工作电极7。
为了保证电极材料充分发生电化学反应，将石英晶体芯片置于电解槽8的底部；所述参比电极5与所述对电极6相对布置，并位于石英晶体芯片的上方。
为了使载气瓶中的惰性气体顺利的流入电解槽中，以及电化学反应产生的气体顺利流入气体检测装置中，电解槽8的一端通过气体输入管道10连通载气瓶4，另一端通过气体输出管道11连通气体检测装置3。
为了控制载气瓶中气体的输出，以及气体的输出量，在气体输入管道10上设置流量计12和气体输入开关阀13。
为了控制电化学反应产气的输出，使得电化学反应产生的气体汇入气相色谱仪中，从而通过气相色谱仪实时准确的检测出产气的种类，在气体输出管道11上设置气体输出开关阀14。
为了避免电解液倒流入气体输入管道中，以及避免电解液从气体输出管道流入气体检测装置，从而造成气体检测装置的损坏，将气体输入管道10的出气口和气体输出管道11的进气口均设置成高于电解液9的液面。
为了保证被测电极材料的电化学反应正常进行，参比电极5、对电极6和工作电极7均通过导线与电化学工作站2相连。
振荡器1通过导线与工作电极7相连，使得振荡器能准确的检测被测电极材料在电化学反应过程中产生的谐振频率。
本实施例中的用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置对被测电极材料进行电化学测试的方法包括以下步骤：
1)将待测电极材料匀浆搅料，然后均匀涂覆在石英晶体芯片的表面，干燥后作为三电极中的工作电极7；
2)将准备好的参比电极5、对电极6和工作电极7分别放入电解槽8中，并使工作电极7位于电解槽8的底部，参比电极5和对电极6位于工作电极7的上方，并相对布置，然后将工作电极7分别接入振荡器1和电化学工作站2，振荡器1接入电化学工作站2，形成振荡电路回路，同时将参比电极5和对电极6接入电化学工作站2；
3)在气体输入管道10上接入流量计12和气体输入开关阀13，在气体输出管道11上接入气体输出开关阀14，然后将载气瓶4通过气体输入管道10接入电解槽8的进气口，同时将电解槽8的出气口通过气体输出管道11接入气相色谱仪；
4)连接好整个实验装置后，打开流量计12、气体输入开关阀13和气体输出开关阀14，排气半小时确保整个体系完全处于惰性气体氛围中；
5)按照设置程序开启电化学工作站2和振荡器1，对电化学反应单元进行充放电反应测试，利用振荡器1和电化学工作站2共同测试不同电位下的谐振频率，从而分析得出被测电极材料发生电化学反应的固态产物，同时，利用气相色谱仪同步测试充放电过程中被测电极材料表面产生的气态产物；
6)根据Sauerbrey方程可知：
Δf＝fc-f0＝-CfΔm
其中，fc为测试得到的谐振频率，f0为工作电极没有负载物时的谐振频率，Δm为变化质量，Cf为表观质量敏感系数(对于室温下5MHzAT-cut的石英晶体芯片，其值为56.6Hzμg-1cm2)。
根据Faraday方程可知：
Figure BDA0003800822520000061
其中，ΔQ为变化电量，M是电极表面沉积或溶出的物种的表观摩尔质量，n为电子转移数，F为法拉第常数。
结合Sauerbrey方程及Faraday方程可得：
Figure BDA0003800822520000071
其中，
Figure BDA0003800822520000072
代表质量响应灵敏度。以Δf对ΔQ作图，已知质量响应灵敏度，则可从直线斜率得到电极反应物种产生1mol电子转移时引起的电极材料的质量变化(M/n)，然后与可能存在的固态产物理论值进行一一对比后可判断出电极材料发生电化学反应所产生的固态产物。
最后，通过已知的电极材料和电解液种类，结合不同电位下产生的固态产物和气态产物，即可推算出不同电位下的电化学反应方程式，从而以此为依据来改善锂离子电池的电化学性能，以及提高锂离子电池的安全性。除此之外，还可以在过充、过放以及长循环等条件下测试电极材料的电化学产物，尤其是气态产物的变化。
以上实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置，其特征在于，包括电化学石英晶体微天平、气体检测装置（3）和载气瓶（4）；
所述电化学石英晶体微天平包括电化学反应单元、振荡器（1）和电化学工作站（2）；
所述电化学反应单元包括参比电极（5）、对电极（6）、工作电极（7）和电解槽（8），所述参比电极（5）、对电极（6）和工作电极（7）均与所述电化学工作站（2）相连，并均位于所述电解槽（8）的电解液（9）中；
所述振荡器（1）分别与所述工作电极（7）和所述电化学工作站（2）相连，所述工作电极（7）的表面用于涂抹被测电极材料，通过振荡器（1）实现对被测电极材料谐振频率的检测，同时通过电化学工作站（2）实现对电化学参数的同步测量，从而获得被测电极材料的质量变化；
所述电解槽（8）的一端连通所述载气瓶（4），另一端连通所述气体检测装置（3），通过所述载气瓶（4）对电解槽（8）提供惰性气体，并利用气体检测装置（3）实现对被测电极材料表面产气的测量。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述气体检测装置（3）为气相色谱仪。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述工作电极（7）为石英晶体芯片。
4.根据权利要求3所述的实验装置，其特征在于，所述石英晶体芯片位于所述电解槽（8）的底部；所述参比电极（5）与所述对电极（6）相对布置，并位于所述石英晶体芯片的上方。
5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述电解槽（8）的一端通过气体输入管道（10）连通所述载气瓶（4），另一端通过气体输出管道（11）连通所述气体检测装置（3）。
6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述气体输入管道（10）上设有流量计（12）和气体输入开关阀（13）。
7.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述气体输出管道（11）上设有气体输出开关阀（14）。
8.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于，所述气体输入管道（10）的出气口和所述气体输出管道（11）的进气口均高于所述电解液（9）的液面。
9.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述参比电极（5）、对电极（6）和工作电极（7）均通过导线与所述电化学工作站（2）相连。
10.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述振荡器（1）通过导线与所述工作电极（7）相连。
CN202222160818.2U 2022-08-16 2022-08-16 一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置 Active CN218382514U (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202222160818.2U CN218382514U (zh) 2022-08-16 2022-08-16 一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202222160818.2U CN218382514U (zh) 2022-08-16 2022-08-16 一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN218382514U true CN218382514U (zh) 2023-01-24

Family

ID=84967989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202222160818.2U Active CN218382514U (zh) 2022-08-16 2022-08-16 一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN218382514U (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109946634B (zh) 一种锂离子电池热失控环境模拟设备及方法
CN110320476B (zh) 用于原位检测液态电池产气的模拟电池装置
CN111257212B (zh) 燃料电池金属双极板耐久性的恒电位加速测试与评价方法
Zhou et al. Quantifying the apparent electron transfer number of electrolyte decomposition reactions in anode-free batteries
Lundqvist et al. Kinetic study of a porous metal hydride electrode
CN112798513A (zh) 一种质子交换膜燃料电池金属双极板耐久性加速测试方法
CN108666600A (zh) 一种基于热化学测量的全钒液流电池soc检测方法
Misiewicz et al. Online electrochemical mass spectrometry on large-format Li-ion cells
CN218382514U (zh) 一种用于分析锂电池界面变化及产气的实验装置
CN206292647U (zh) 一种可控制金属‑空气电池电化学性能测试气氛的装置
CN107785625B (zh) 一种简易的软包四电极锂离子电池测试体系
CN102445364A (zh) 一种锂离子电池内部产气的收集装置
CN113945676A (zh) 分析电芯内部电解液分布状态的方法及其应用
CN109659587B (zh) 液流电池容量衰减控制系统及方法
CN106599333A (zh) 一种电源soh的估算方法
CN109888422B (zh) 锂离子电池剩余电解液量的确定方法及数据图表生成方法
CN111579711A (zh) 一种评测烘烤后锂离子电池水含量的方法
JP4452801B2 (ja) ガスサンプリング方法及び装置
CN215219088U (zh) 一种用化成数据预测锂电池容量的装置
CN115840020A (zh) 一种锂离子电池析锂含量的检测方法
CN114577847A (zh) 一种基于等温差式量热法的锂电池充放电产热测量方法
CN112858911A (zh) 一种商业电池全生命周期内多种气体原位检测方法
CN113376243A (zh) 全自动多通道电池质谱分析系统
CN216595427U (zh) 一种锂离子电池析锂检测装置
CN206930647U (zh) 一种回充式六氟化硫在线检测仪采样准确度校准平台

Legal Events

Date Code Title Description
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: 401133 room 208, 2 house, 39 Yonghe Road, Yu Zui Town, Jiangbei District, Chongqing

Patentee after: Deep Blue Automotive Technology Co.,Ltd.

Address before: 401133 room 208, 2 house, 39 Yonghe Road, Yu Zui Town, Jiangbei District, Chongqing

Patentee before: CHONGQING CHANGAN NEW ENERGY AUTOMOBILE TECHNOLOGY Co.,Ltd.

CP01 Change in the name or title of a patent holder